FBG光纤光栅的应变和温度传感特性研究与实验验证讲解
光纤光栅的应力和温度传感特性研究 (1)
一光纤光栅传感器理论基础 (1)
1 光纤光栅应力测量 (1)
2 光纤光栅温度测量 (2)
3 光纤光栅压力测量 (3)
二光纤光栅传感器增敏与封装 (4)
1 光纤光栅的应力增敏 (4)
2 光纤光栅的温度增敏 (5)
3 光纤光栅的温度减敏 (5)
4 嵌入式敏化与封装 (6)
5 粘敷式敏化与封装 (7)
三光纤光栅传感器交叉敏感问题及其解决方法 (9)
1 参考光纤光栅法 (10)
2 双光栅矩阵运算法 (10)
3 FBG与LPFG混合法 (11)
4 不同包层直径熔接法 (12)
5 啁啾光栅法 (12)
光纤光栅的应力和温度传感特性研究
一光纤光栅传感器理论基础
1 光纤光栅应力测量
由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：
2B eff n λ=Λ (1)
式中：eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的固有周期。 当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回去。
由公式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。FBG 对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化来影响B λ，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。
当光纤光栅仅受应力作用时，光纤光栅的折射率和周期发生变化，引起中心反射波长B λ移动，因此有：
eff
B
B
eff
n n λλ???Λ=
+
Λ (2) 式中：eff n ?为折射率的变化，?Λ为光栅周期的变化。 光栅产生应力时的折射率变化：
()212111
12
eff eff e eff
n n P P P n μμεε?=---=-???? (3) 式中：
()2
1211112
e ef
f P n P P μμ=
--???? (4) ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，11P 、12P 是弹光系数，e P 是有效弹
光系数。
假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。
L
L
ε?Λ?==Λ (5) 所以公式(2)可写成：
()1B
e B
P λελ?=- (6)
公式(6)就是裸光纤光栅应力测量的一般计算公式。
2 光纤光栅温度测量
当FBG 不受应力作用，温度变化引起中心反射波长B λ移动可表示为：
()B
s s B
T λαζλ?=+? (7)
式中：11s L
T L T
α?Λ?==Λ??为光纤的热胀系数，描述光栅的周期随温度的变化关系；1eff
s eff n n T
ζ?=?
?为光纤的热光系数，描述光栅的有效折射率随温度的变化关系。
从式(7)可以看出，B λ?与T ?之间呈线性关系，通过测量光纤光栅的反射波长的移动B λ?，便可以确定环境温度T 。
公式(7)就是裸光纤光栅温度测量的一般计算公式。
3 光纤光栅压力测量
外界环境的压力变化P ?也会对光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长产生影响。一般裸露的光纤光栅的压力传感测量的理论公式如下：
()11eff eff B
B
eff eff n n P n P n P λλ?Λ?????Λ=
=+???Λ
Λ??????
(8) 假设：
()12L P L E
μ-?Λ?==-Λ (9) ()()212111222eff eff eff
n n p p P n E
μ?=-+ (10)
式中：E 代表光纤的杨氏模量，μ代表光纤的泊松比，11p 和12p 是光纤的光压系数。
则由公式(8)、(9)、(10)可得：
()()()21211121222eff B
B
n p p P E E μλμλ??-?=-+-+??????
(11)
但裸光纤光栅的压力测量的灵敏度是很低的，在实际应用中不可能应用于常
规测量。
假设应力和温度所引起的光栅中心波长变化是相互独立的，当应力和温度同时发生变化时，光纤布拉格光栅的中心反射波长变化为：
()()1B
e s s T B
P T k k T ελεαζελ?=-++?=+? (12)
公式(13)是裸光纤光栅传感技术的理论基础。
二 光纤光栅传感器增敏与封装
施加应力和改变温度均可改变改变光纤光栅的有效折射率及固有周期使其中心波长产生一定的飘移。然而裸光纤光栅的应力和温度灵敏度均很低，故一般不能直接用于传感测量之中。而需对其敏化以提高感测的灵敏度。
通过改变光纤的成分、结构以及植入衬底材料等方式，可以对光纤光栅进行敏化性或保护性封装。在光纤光栅传感器的设计与应用中，光纤光栅的敏化和封装是相辅相成的，往往一并考虑。采用特殊的结构设计并选用适宜的衬底材料粘贴或埋入，是光纤光栅敏化与封装的有效方式。
衬底材料可选用弹性梁、大热胀系数材料、负温度系数材料、磁致伸缩材料以及液晶材料等。
1 光纤光栅的应力增敏
在恒温条件下，由公式(12)得：
()1B
e B
P k ελεελ?=-= (13)
一般情况下，k ε很小。通常有效、实用的技术是将光纤光栅粘贴在弹性梁上，通过对弹性梁施加应力间接增大k ε值。外力的形式包括纵向应力(使弹性梁轴向拉伸或弯曲)、横向应力(使弹性梁侧向弯曲产生微小形变)以及扭转应力(使弹性梁扭转产生形变)。公式(13)表明，若对光纤光栅施以线性或非线性应力，则可实现对其反射波长的线性或非线性调谐。
弹性梁包括简支梁、悬臂梁和扭梁。
对于简支梁和悬臂梁采用纯弯曲假设，应力增敏关系式：
()01e B
B
P z M EI
λλ-?=
(14)
式中：0z 为考查点距梁中性面的距离，E 和I 分别为梁的杨氏模量和惯性矩，M 为梁的弯矩。
对于扭梁采用纯转动假设，应力增敏关系式：
()()1sin 2e B
F
B
P
P D M
GI βλλ-?=
(15)
式中：β为沿与轴向成一定斜角度的粘贴角，G 、P I 和D 为梁的剪切模量、极惯性矩和横截面外直径，F M 为梁的扭矩。
由公式(14)、(15)可知，通过特殊设计的弹性梁，可将弯矩和扭矩转化为应力、位移、曲率和扭角等传感参量，实现多种参量的高精度感测。
2 光纤光栅的温度增敏
由于光纤光栅的温度系数较小，且主要取决于光纤的热光效应。单独用它做温度传感元件，其灵敏度不高。为了提高温度灵敏度，可将光纤光栅粘贴于热胀系数较大的基底材料上。假设基底材料的热胀系数为sub α，并且满足sub s αα，
则粘贴后光纤光栅的反射波长随温度的变化关系由下式给出：
()()()11B
s e sub s s e sub B
P T P T λζααζαλ?=+--?≈+-????????? (16)
公式(13)就是光纤光栅加入各种基底与机械结构的温度测量一般公式。
根据公式(12)、(13)可简化为：
()B
T sub B
k k T ελαλ?=+? (17)
而现实中，考虑粘贴质量的原因，基底材料的应力量不可能全部传给光纤光栅，则公式(14)可加入与光纤光栅粘贴质量有关的常数η，公式(14)变为：
()B
T sub B
k k T ελαηλ?=+? (18)
可见光纤光栅的温度灵敏度可提高为裸光纤光栅的
()T sub T
k k k εαη+倍。
3 光纤光栅的温度减敏
由公式(6)、(16)可知，当应力和温度同时作用于光纤光栅时，波长漂移与应力和温度的关系式为：
()()11B
e s e sub B
p p T λεζαλ?=-++-????? (19)
若采用特殊结构设计或负温度系数材料，可使光纤光栅的应力与温度二者效应两者相互抵消。导致B B λλ?减小甚至趋向于零，从而达到温度减敏目的。温度减敏一般也称为温度补偿。
基于弹性衬底材料的光纤光栅温度补偿关系式为：
()()
11
S e sus s e p T p ζααε+--=
?- (19)
目前采用的方法有金属桥式温度补偿结构、剪刀型封装装置。
若选择热胀系数为负温度系数材料，光纤光栅温度补偿关系式为：
()()
()
11s e s e p p ζεαε---=
- (20)
此外我们还可以采用双波长差进行温度补偿。
4 嵌入式敏化与封装
嵌入式敏化与封装是将光纤光栅嵌入于某种具有对应力、温度增敏与减敏的有机物(如聚合物)、金属、合金及特殊弹性体之中的技术。敏化材料一般有单一材料和混合材料之分；结构亦有管式、片式、针式、完全嵌入与部分嵌入之别，典型的嵌入式敏化与封装实例如下：
图 1 单一或混合完全嵌入型
图 2 外加铝管的聚合物封装型
图 3 单一部分嵌入型
图 4 组合式层叠嵌入型
图5 管式分段嵌入型
图6 针式完全嵌入型
图7 套管温度补偿嵌入型
图8 空孔内置嵌入型
这里只是列举一些比较常见和经典的嵌入式封装结构，此外还有许多嵌入式封装结构。
5 粘敷式敏化与封装
粘敷式敏化与封装是将光纤光栅粘敷在某种具有对应力、温度增敏与减敏的有机物(如聚合物)、金属、合金及特殊弹性体之中的技术。粘敷材料一般有单一
材料和混合材料之分；结构亦有管式、片式、针式、完全粘敷与部分粘敷之别，典型的粘敷式敏化与封装实例如下：
图9 片式完全粘敷式
图10 金属桥式粘敷型
图11 半金属管粘敷式
图12 双侧悬梁粘敷式
图13 变形梁粘敷式
图 14 光栅斜粘敷式
图 15 光栅应力粘敷式
图 16 光栅空洞梁粘敷式
这里只是列举一些比较常见和经典的粘敷式封装结构，此外还有许多粘敷式封装结构。
三 光纤光栅传感器交叉敏感问题及其解决方法
在实际的使用环境中光纤光栅的布拉格反射波长的移动量同时受到温度和应力的影响，相应的波长移动量为：
()()1B
e s s B
P T λεαζλ?=-?++? (19)
这样就给实际测量带来一定的问题，当同时有温度和应力的变化量存在的情况下，一般的检测系统很难识别出温度和应力各自的变化情况，这一情况就称为“交叉敏感”。目前为止已提出多种解决方法，它们有各自的特点，分别适用于不同的实际情况。
1 参考光纤光栅法
图 17 基于参考参考光纤光栅法的温度分离检测
将一只光纤光栅作为传感头，另一只作为参考，实现温度或者应力的参考，从而实现对另一物理量的参考。
比如，用一只不受应力作用的自由光栅作为温度参考，这只光纤光栅置于应力传感光栅同样的温度环境中。由于温度变化使得传感光栅波长移动量的与参考光栅波长移动量大小相等，符号相同；而参考光栅不受应力作用，传感光栅不仅受到温度作用，同时还受到应力作用，因此传感光栅的波长移动量中既含有温度变化因素，又含有应力变化因素；将两只光纤光栅返回的波长移动量做减法处理，就可以很容易地消除温度变化对应力测量的影响。
优点：结构简单，成本低。 缺点：若要得到很高的精度，需要精心挑选两只结构和参数性能完全相同的光纤光栅。
2 双光栅矩阵运算法
双波长光栅是在一根光纤的同一位置重叠写入两种周期不同的光栅结构。当外界环境扰动时探测端将获得两组波长移动数据。
由应力和温度的引起的波长变化可以表示：
(),B T T K K T ελεε?=?+? (20)
两个不同的波长的FBG 的中心反射波长的变化可以表示为：
1111
22T B T B K K K K T εελελ????????
=??????????
???? (21) 公式(21)中的系数矩阵的元素可以分别测量在只有应力作用和温度作用时
的波长移动量来得到。当系数矩阵中的4个元素的数值都确定以后，被测应力ε?和温度变化量T ?就很容易得出。
这一方法要求两个光纤光栅必须满足条件
11
22
T T K K K K εε≠
，因此实验中两个光纤光栅的中心波长的差别要足够大。
双波长光栅的制作工艺目前已经很成熟，，为应力和温度的同时测量提供了重要的思想方法，很多思想方法都是基于这种思想。但由于需要两套光源的光谱仪，使得成本增加。
图 18 利用两只光栅同时测量应力和温度的原理图
3 FBG 与LPFG 混合法
长周期光纤光栅(LPFG)和光纤布拉格光栅(FBG)对于应力和温度的灵敏度具有明显的差别。
传感器探头中使用了两只光纤布拉格光栅和一只长周期光纤光栅。长周期光纤光栅比布拉格光纤光栅大得多的温度响应和小得多的应力响应。
实验中LPFG 的中心波长为1306nm ，两个FBG 的中心波长分别为1293nm 、1321nm ，接近LPFG 的中心波长。实验中通过测量两个FBG 反射信号的相对强度，可以得到LPFG 透射光谱的峰值变化。
定义以下函数为FBG 基于LPFG 透射率的归一化反射光强差：
(
)1,2F R R =
(22)
其中1R 和2R 为两个FBG 的反射率。
由函数()12,F R R 与其中一个FBG 的波长变化两个量可以构成矩阵方法：
()5312332,0.365107101320.53 1.0310
8.710B F R R T ελ----??+??-????
=??????-???????? (22) 通过矩阵运算就可以比较容易地实现温度和应力的精确测量。
与双波长叠栅法不同，这个方法不需要两套单独的光源和光谱仪。但也有一
些缺点：○1长周期光纤光栅的长度比布拉格光纤光栅的长度要长得多，这样在整
个光栅长度范围内很难保证应力的均匀分布；○2长周期光纤光栅的弯曲也同样会造成光栅波长的变化，这将带来新的问题；○3长周期光纤光栅的带宽很大，这使得测量精度会受到限制，同时考虑到波分复用时传感器的数量也会受到限制。
图 19 基于FBG-LPFG 的应力与温度同时测量系统
4 不同包层直径熔接法
在两种不同包层直径的(实验中分别为80m μ和125m μ)光栅中写入波长相近的布拉格光栅，两种光纤光栅熔接在一起。两个光纤光栅的对于温度的灵敏度基本相同，而对于应力的灵敏度则各不相同，利用这一特性即可实现同时测量。
图 20 不同包层直径的两只光纤光栅熔接在一起形成光纤对结构
5 啁啾光栅法
对于啁啾光纤光栅，当沿光栅长度方向引入应力梯度时，光栅的有效带宽将对应力发生变化，利用这一特性就可以实现温度不敏感的应力测量。
线性啁啾光栅的峰值反射率约为100%，反射光强度可以表示为：
()1R s av I k k σ?ε?=-? (23)
σ为光源的光谱密度，?为弹光系数和锥形光纤其中k为耦合器的分光比，
s
ε?为平均应力，定义为沿光纤方向各点应力的积分除以光栅参数有关的常数，'
av
长度。
由公式(23)可知，当温度和应力同时发生变化时，啁啾光栅的反射光强度仅随应力变化。这种方法只需一个光纤光栅就可以在较大的应力范围内实现高精度的应力测量，结合光栅中心反射波长的移动，还可以测量温度。
但这种传感测量不在具有波长编码的特点，在实际应用中必须同时测量参考信号，以消除光源输出功率起伏等因素引起的测量误差。
图21 啁啾光栅法
另外个人觉得像光纤光栅F-P腔法和超结构光纤光栅法由于结构和制作相当复杂、困难，应用起来受限较大。
光纤光栅传感器实验
一、实验目的
1. 了解和掌握光纤光栅的基本特性；
2. 了解和掌握光纤光栅传感器的基本结构、基本原理；
3. 光纤光栅传感测量的基本方法和原理。
二、实验原理
光纤光栅是近年来问世的一种特殊形式的光纤芯内波导型光栅，它具有极为丰富的频谱特性，在光纤传感、光纤通信等高新技术领域已经展示出极为重要的应用。特别是在用于光纤传感时，由于其传感机构（光栅）在光纤内部，且它属于波长编码类型，不同于普通光纤传感的强度型，因而具有其他技术无法与之相比的一系列优异特性，如防爆、抗电干扰、抗辐射、抗腐蚀、耐高温、寿命长、可防光强变化对测量结果的影响、体积小、重量轻、灵活方便，特别能在恶劣环境下使用。光纤光栅传感器可集信息的传感与信息的传输于一体，它极易促成光纤系统的全光纤化、微型化、集成化以及网络化等等，因此光纤光栅传感技术一经提出，便很快受到青睐，并作为一门新兴传感技术迅猛崛起。 1. 光纤光栅及其基本特性
光纤光栅的基本结构如图1－1所示。它是利用光纤材料的光折变效应，用紫外激光向光纤纤芯内由侧面写入,形成折射率周期变化的光栅结构，这种光栅
称之为布喇格（Bragg ）光纤光栅。
这种折射率周期变化的Bragg 光纤光栅满足下面相位匹配条件时，入射光将被反射：
Λ=e f f
B n 2λ (1)
式中B λ 为Bragg 波长（即光栅的反射波长）， Λ为光栅周期，eff n 为光纤材料的有效折射率。如果光纤光栅的长度为L ,由耦合波方程可以计算出反射率R 为：
()sL
sL s sL A A R i r 2222
2*2
sinh )2/(cosh sinh )0(0βκκ?+==
图1－2 显示了两条不同反射率的布喇格光纤光栅反射谱，附图1－3为实际的一个布喇格光纤光栅反射谱和透射谱。
其峰值反射率m R 为:
??
??
????Λ?=eff m n nL R 2t anh 2
π (2)
反射的半值全宽度（FWHM ）,即反射谱的线宽值
2
2
????
???+??? ??Λ=?eff B
B n n L λλ (3)
（1）式中，,eff n Λ是温度T 和轴向应变ε的函数，因此布喇格波长的相对变化量可以写成：
/()(1)B a T Pe λλξε=++- (4)
其中a 、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，；Pe 是有效光弹系数，大约为0.22。应变ε可以是很多物理量（如，压力、形变、位移、电流、电压、振动、速度、加速度、流量等等）的函数，应用光纤光栅可以制造出不同用途的传感头，测量光栅波长的变化就可以计算出待测物理量的变化，所以（4）式是光栅传感的基本方程。
SGQ-1型光纤光栅传感实验仪是我公司设计的系列实验设备之一。通过本实验仪的相关实验使学生了解和掌握光纤光栅的基本特性、光纤光栅传感器的基本
附图1－2 曲线κL =2和κL =5的反射谱 附图1－3 布喇格光纤光栅透射
结构、光纤光栅传感的基本原理、光纤光栅传感测量的基本方法和原理，同时使学生了解光纤光栅和光纤传感的局限性。
2.光纤光栅传感实验仪基本结构
光纤光栅传感实验仪，它包括光纤光栅传感测试单元和光纤光栅传感单元，其基本结构如附图2－1、附图2－2。
1－ASE宽带光源2－1550nm信号光源输入接口
3－宽带光源输出接口4－宽带光源输入接口
5－光纤耦合器6－波长悬臂梁调谐器7－螺旋测微器
8－光强信号数字电压表8－光强信号接收放大电子线路
9－波长传感器信号接收放大电子线路
10－A/D转换及数据处理电子线路11－RS232数据输出接口
12－传感信号输入接口
13- 光纤光栅温度传感器14、15－温度传感信号输出接口1、2
16－加热装置 17－加热调节器 18- 温度检测装置 19－温度数字显示器 20－光纤光栅应变传感器 21－应变传感信号输出端 22－螺旋测微器
光纤光栅传感测试单元，它主要包括宽带光源1［掺铒（Er+）光纤ASE 宽带光源］，手动光纤光栅波长悬臂梁调谐器6、7，光强信号接收放大电子线路8，A/D 转换及数据处理电子线路10，光纤光栅波长传感器信号接收放大电子线路9，宽带光源输出3用光纤FC 接头跳线连接到机箱面板上，传感测试用宽带光源输入端4也连接到机箱面板上。此测试单元还有RS232数据计算机接口，有图形显示和数据处理软件，手动波长扫描，手工或计算机自动两种数据记录、描绘图形、数据处理方法。由光纤FC 接头跳线将光纤光栅传感测试单元接口12与光纤光栅传感单元接口15或21连接，可进行光纤光栅温度传感和光纤光栅应变传感或波分复用传感实验；宽带光源1有宽带输出接口3，可独立以宽带光源使用。
光纤光栅传感单元主要由光纤光栅温度传感器13和光纤光栅应变传感器20组成，光纤光栅温度传感器还有附属的加热及加热调节16、17和温度检测装置、温度数字显示器18、19，显示其实际温度；光纤光栅应变传感器20中光纤光栅粘接到悬臂梁上，光纤光栅应变由悬臂梁弯曲形变产生，连接到悬臂梁上的螺旋测微器22的进动量给出悬臂梁形变的挠度，进而计算出光纤光栅应变。 3. 光纤光栅传感的基本原理和光纤光栅传感测量的基本原理
光纤光栅受温度T 和应变ε同时影响时，光纤光栅峰值波长会发生变化，其相对变化量可以写成：
/()(1)a T Pe λλξε=++- (4)
其中a 、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，其值a ＝0.55×10－6,ξ＝8.3×10－6，即温度灵敏度大约是0.0136 nm /℃，（λ为1550nm ）；Pe 是有效光弹系数，大约为0.22，即应变灵敏度为0.001209 nm /m μ。 3.1 光纤光栅温度传感器
为了提高光纤光栅温度灵敏度，在光纤光栅温度传感器13中，是将光纤光栅封装在温度增敏材料基座上，外部有不锈钢管保护，外面有加热装置。如附图3－1。波长变化量及温度灵敏度分别为（请自行推算）：
/(()(1)())e j T a P a a λξλ??=++-- (5)
/t T λα??=
t α定义为该温度传感器的温度灵敏度，可由实验获得，大约是t α＝
0.035nm/℃。由测量到的波长的变化量可计算出温度的变化0t t -：
在上面的公式中，
a ：石英材料（光纤光栅）光纤热膨胀系数0.5×10－6/℃ ξ：石英材料（光纤光栅）光纤热光系数8.3×10－6/℃
Pe ：石英材料（光纤光栅）光纤有效光弹系数，为0.22，η＝1－Pe ，
j a ：基座热膨胀系数 3.2 光纤光栅应变传感器
本实验仪的光纤光栅应变传感器是一种悬臂梁应变调谐机构。应用材料力学原理可以严格计算出光纤光栅的应变，用于模拟环境物理量使光纤光栅产生的应变。由光纤光栅的应变又可计算出传感光栅的波长变化。
光纤光栅应变传感器20原理图如附图3－2
光纤光栅粘接在悬臂梁距固定端根部x 位置，螺旋测微器调节挠度，由材料力学可知，光纤光栅的应变为：
3
3()l x dh
l ε-=
（6）
其中l 、h 、d 分别表示梁的长度、挠度和中性面至表面的距离,η＝1－Pe Pe 是光纤有效光弹系数。挠度变化Δh 时，应变的变化量Δε及峰值波长的变化量为：
h l d
x l ?-=
?3
)(3ε （7）
附图
3-2
附图3-1
T
t
t t αλ?+
=0
(1)Pe ελλε?=-?
h Pe h ??-==??εεελβλ
)1( （8）
εβ为光纤光栅悬臂梁波长调谐灵敏度（单位是nm/mm ）
，可理论计算，但主要是通过实验获得。作为光纤光栅应变传感器使用时，应变调谐灵敏度为：
εε
λβε)1(Pe h -=
??
光纤光栅波长悬臂梁调谐器20中悬臂梁是79×5×1.4mm 钢带,螺旋测微器7最大行程为8mm,光纤光栅粘接在根部的5mm 处， 光纤光栅波长调谐灵敏度为0.38nm/mm （实际测量为0.3875，对应的应变调谐灵敏度为320με/mm ），最大调谐量3.8nm ；附图3－3是光纤光栅波长悬臂梁调谐曲线。 3.3 光纤光栅传感的测量方法
光纤光栅传感测量系统如附图3－4。光纤光栅传感属于波长编码类型，不同于普通光纤传感的强度型，光纤光栅传感测量系统核心部分是波长分析器。
光纤光栅传感测量系统工作过程及原理是：具有宽带特性的探测光源经光纤耦合器一个输出端、信号传输光纤到光纤光栅传感头，再由传感光栅反射，形成
附图3-4光纤光栅传感测量系统
附图3-3 光纤光栅波长悬臂梁调谐曲线
传感光栅的窄带反射光谱，再由传输光纤传输到波长分析器；波长分析器的功能类似光谱仪的分光功能，探测传感光栅光谱分布及其光谱变化，光电检测是将光栅光谱分布及其光谱变化转变成电信号的变化和数据处理，显示为传感结果输出，数据处理和显示可以由计算机完成。
光纤光栅传感的测量有多种方法，附图3－5是可调F-P滤波器法的传感测量系统
附图3-5 可调F-P滤波器法的传感测量系统
在附图3－5中，波长分析器是一种电驱动的可调光纤F-P滤波器。
本光纤光栅传感实验仪测量系统原理框图: 如附图3－6
附图3-6 本光纤光栅传感实验仪测量系统原理框图
在本测量系统中，波长分析器是一种悬臂梁可调光纤光栅滤波器，其原理图与图3－2光纤光栅应变传感器20相同，由螺旋测微器改变悬臂梁形变的挠度，改变滤波器光纤光栅的光谱分布位移。光电探测是一种宽带接收系统，光电探测到的光强值是传感光纤光栅光强分布曲线与滤波器光纤光栅光强分布曲线的卷积。其滤波器光纤光栅波长峰值与传感光纤光栅波长峰值相同时，光电信号达到极大值，极大值的波长位置即是传感光纤光栅波长位置。下图是在计算机光谱谱图界面上显示出的光纤光栅谱图。
DS18B20温度传感器实验
DS18B20温度传感器实验Proteus仿真原理图： DS18B20内部结构：
/************************* 源程序 ****************************/ #include
光纤温度传感器的设计
设计性实验报告 实验课程：医用传感器设计实验学生姓名：程胜雄 学号: 080921037 专业班级：08医工医疗器械方向 2010年12月8日
光纤温度传感器的设计 摘要：介绍了金属热膨胀式光纤温度传感器的设计，利用金属件的热膨胀的原理，通过绕制在金属件上的光纤损耗产生变化，当光源输出光功率稳定的情况下，探测器接收光功率受温度调制，通过光电转换，信号处理，完成温度的换算。传感器以光纤为传输手段，以光作为信号载体，抗干扰能力强，测量结果稳定、可靠, 灵敏度咼。 关键词：光纤，传感器，光纤传感器，光纤温度传感器 在光通信系统中，光纤是用作远距离传输光波信号的媒质。在实际光传输过程中，光纤易受外界环境因素的影响；如温度、压力和机械扰动等环境条件的变化引起光波量，如发光强度、相位、频率、偏振态等变化。因此，人们发现如果 能测出光波量的变化，就可以知道导致这些光波量变化的物理量的大小，于是出
现了光纤传感技术。 一：光纤传感器的基本原理 在光纤中传输的单色光波可用如下形式的方程表示 E=错误！未找到引用源。 式中，错误!未找到引用源。是光波的振幅：w是角频率；■为初相角。 该式包含五个参数，即强度错误!未找到引用源。、频率w、波长错误！未找到引用源。、相位（wt+ J和偏振态。光纤传感器的工作原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已知调制的光信号进行检测，从而得到被测量。当被测物理量作用于光纤传感头内传输的光波时，使的强度发生变化，就称为强度调制光纤传感器；当作用的结果使传输光的波长、相位或偏振态发生变化时，就相应的称为波长、相位或偏振调制型光纤传感器。 （一）强度调制 1.发光强度 调制传感 器的调制 原理光 纤传感器 中发光强度的调制的基本原理可简述为，以被测量所引起的发光强度变化，来 实现对被测对象的检测和控制。其基本原理如图 5-39所示。光源S发出的发 光强度为错误!未找到引用源。的光柱入传感头，在传感头内，光在被测物理 量的作用下强度发生变化，即受到了外场的调制,
光纤光栅应变传感器实验讲义
实验光纤布拉格光栅（FBG ）应变实验研究 【实验目的】 1) 了解光纤光栅传感器基本原理及FBG 应变测量的基本公式。 2) 了解飞机驾驶杆弹性元件的力学特性。 3) 学习光纤光栅应变测量的基本步骤和方法。 【实验原理】 1.光纤光栅传感器的基本原理及FBG 应变测量的基本公式 光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating, FBG ）用于传感测量技术，主要是通过外界物理量的变化对光纤光栅中心波长的调制来获取传感信息，因此它是一种波长调制型的光纤传感器。FBG 传感原理如图1所示。 图1中，当一束入射光波进入FBG 时，根据光纤光栅模式耦合理论，当满足满足相位 匹配条件时，反射光波即为FBG 的布喇格波长λB ，λB 与有效折射率n eff 和光栅周期Λ的关系为 Λ2eff B n =λ（1) 由式(1)可以知：n eff 与Λ的改变均会引起光纤光栅波长的改变，而且n eff 与Λ的改变与应变和温度有关。应变和温度分别通过弹光效应与热光效应影响n eff ，通过长度改变和热膨胀效应影响周期Λ，进而使λB 发生移动。将耦合波长λB 视为温度T 和应变ε的函数，略去高次项，则由应变和温度波动引起的光纤光栅波长的漂移可表示为 Λ ?+?Λ=?eff eff B 22n n λ (2) I λ I 输入光波 反射光波 透射光波 图1 FBG 传感原理示意图
由式(2)可知光纤光栅中心波长漂移量?λ对轴向应变?ε和环境温度变化?T 比较敏感。通过测量FBG 中心波长的变化，就可测量外界物理量的变化值（如应变、温度等）。 光纤光栅轴向应变测量的一般公式为 ()ελλe B Bz 1p -=?，也是裸光纤光栅轴向应变测量的计 算公式。由上式可知，?λBz 和ε存在线性关系，因此通过解调装置检测出布拉格波长的偏移量?λ，就可以确定被测量ε的变化。 2. 飞机驾驶杆弹性元件的力学特性 杆力传感器弹性元件采用平行梁形式，其结构如图2所示。弹性元件由互相交叉90°的两对关联平行梁组成一个测力悬杆，其中一组感受纵向作用力，另一组感受横向作用力，上下部分连为一体，增加了梁的刚度，提高了梁的固有频率并具有良好的散热条件。对其中每一方向作用力，由于其侧向刚度大，于是侧向负载能力强，与施加力平行的一对平行梁轴向应变可以忽略不计，外加力主要使与作用方向垂直的一对平行梁变形。 杆力传感器弹性元件为方框平行梁结构，为便于分析和简化计算，将方框平行梁简化为 一超静定刚架，力学模型如图3(a)所示。 因为刚架计算通常忽略轴力对变形的影响，力学模型又可进一步简化为一个反对称载 荷作用的刚架，简化后的力学模型如图3(b)所示，其中P=1/2P 0。将受反对称载荷作用的刚 架沿水平对称轴截开，这时垂直梁的截面上有三对内力力，即一对剪力X 、一对轴力N 、一对弯矩M ，多余约束力如图3(c)所示。根据结构力学反对称结构对称的外力为零的理论，因 图2弹性元件结构简图 (纵向) ) 图3简化后的模型 (a)超静定刚架结构 P 0 h (c) 多余未知力图 P P (b) 简化后力学模型 P P a
光纤温度传感器
光纤温度传感器 电子092班 张洪亮 2009131041
光纤温度传感器 摘要 本文从光纤和光纤传感器以及光纤温度传感器的发展历程开始详细分析国内外 主要光纤温度测温方法的原理及特点，比较了不同方法的温度测量范围和性能指标以及各自的优缺点。通过研究发现了当前的光纤温度传感器的种类和特点，详细介绍了光纤温度传感器的原理，种类和各自的特点和优缺点。可以根据这些传感器各自特点将各种传感器应用到不同的领域，本文也简要分析了各种光纤温度传感器的运用范围和领域。本文还通过图文并茂的方式比较详细地分析了介绍了空调器的基本结构，工作电气原理和基本的热力学过程。本文对毕业设计主要内容和拟采用的研究方案也做出了详细地介绍分析。 关键词：光纤传感器，光纤温度传感器，运用领域，空调器，空调器原理 1 引言： 光纤温度传感器是一种新型的温度传感器．它具有抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、防爆防燃、体积小、重量轻等优点，其中几种主要的光纤温度传感器：分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器更有着自己独特的优点。与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高;是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。它将在航空航天、远程控制、化学、生物化学、医疗、安全保险、电力工业等特殊环境下测温有着广阔的应用前景。在本论文中将详细分析当前光纤温度传感器的主要种类和各自的原理，特点和应用范围。70 年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。1977 年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是光纤传感器问世的日子。从这以后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。从70 年代中期到 80 年代中期近十年的时间，光纤传感器己达近百种，它在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得到实际应用。从目前的情况看，己有一些形成产品投入市场，但大量的是处在实验室研究阶段。光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高; 是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。目前，世界各国都对光纤传感器展开了广泛，深入的研究，几个研究工作开展早的国家情况如下:美国对光纤传感器研究共有六个方面:这些项目分别是: 光纤传感系统;现代数字光 纤控制系统;光纤陀螺;核辐射监控;飞机发动机监控; 民用研究计划。以上计划仅在 1983 年就投资 12-14 亿美元。美国从事光纤传感器研究的有美国海军研究所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福大学等 28 个主要单位。美国光纤
温度传感器实验
DH-SJ5温度传感器设计性实验装置 使 用 说 明 书 杭州大华科教仪器研究所 杭州大华仪器制造有限公司
一、温度传感器概述 温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。测温传感器就是将温度信息转换成易于传递和处理的电信号的传感器。 一、测温传感器的分类 1.1电阻式传感器 热电阻式传感器是利用导电物体的电阻率随温度而变化的效应制成的传感器。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。它分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即 R t =R t0[1+α (t-t 0)] 式中，R t 为温度t 时的阻值；R t0为温度t 0（通常t 0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。 半导体热敏电阻的阻值和温度关系为 t B t Ae R = 式中R t 为温度为t 时的阻值；A 、B 取决于半导体材料的结构的常数。 常用的热电阻有铂热电阻、热敏电阻和铜热电阻。其中铂电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。 金属铂具有电阻温度系数大，感应灵敏；电阻率高，元件尺寸小；电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系；在测温范围内，物理、化学性能稳定，长期复现性好，测量精度高，是目前公认制造热电阻的最好材料。但铂在高温下，易受还原性介质的污染，使铂丝变脆并改变电阻与温度之间的线性关系，因此使用时应装在保护套管中。用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃，TCR=(R 100-R 0)/(R 0×100) ，R 0为0℃的阻值，R 100为100℃的阻值，按IEC751国际标准，温度系数TCR=0.003851，Pt100（R 0=100Ω）、Pt1000（R 0=1000Ω）为统一设计型铂电阻。铂热电阻的特点是物理化学性能稳定。尤其是耐氧化能力强、测量精度高、应用温度范围广，有很好的重现性，是中低温区（-200℃～650℃）最常用的一种温度检测器。 热敏电阻(Thermally Sensitive Resistor,简称为Thermistor),是对温度敏感的电阻的总称，是一种电阻元件，即电阻值随温度变化的电阻。一般分为两种基本类型：负温度系数热敏电阻NTC （Negative Temperature Coefficient ）和正温度系数热敏电阻PTC （Positive Temperature Coefficient ）。NTC 热敏电阻表现为随温度的上升，其电阻值下降；而PTC 热敏电阻正好相反。 NTC 热敏热电阻大多数是由Mn(锰)、Ni(镍)、Co(钴)、Fe(铁)、Cu(铜)等金属的氧化物经过烧结而成的半导体材料制成。因此，不能在太高的温度场合下使用。不竟然，其使用范围有的也可以达到了-200℃～700℃，但一般的情况下，其通常的使用范围在-100℃～300℃。 NTC 热敏热电阻热响应时间一般跟封装形式、阻值、材料常数（热敏指数）、热时间常数有关。材料常数（热敏指数）B 值反映了两个温度之间的电阻变化，热敏电阻的特性就是由它的大小决定的，B 值（K ）被定义为：2 12 1212111lg lg 3026.211ln ln T T R R T T R R B --?=--= ； R T1：温度 T 1（K ）时的零功率电阻值；R T2 ：温度 T 2（K ）时的零功率电阻值；T 1，T 2 ：
光纤光栅应变传感器二维应变测量方法
龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/8a14219763.html, 光纤光栅应变传感器二维应变测量方法 作者：李金娟 来源：《无线互联科技》2015年第02期 摘要：文章介绍了光纤光栅二维应力传感测量的试验台的准备、光纤光栅的制备、光纤 光栅的粘贴、实验仪器、实验过程、光纤光栅测量应变与电阻应变片的测量结果作对比。实验结果说明利用光纤光栅应变花可以得出与电阻应变花一致的结果。 关键词：光纤光栅；电阻应变片；应变；直角应变花 光纤光栅应变花进行二维平面应力测量是通过三个光纤光栅的中心波长的变化来测定应变的，电阻应变片应变花测出的应变值对光纤光栅中心波长进行标定。所以粘贴时尽可能保证光纤光栅与对应的电阻应变片的测量方位一致。 1 实验台的准备 由于本实验需要用多个光纤光栅进行二维应力测量，所以不能使用一般的等强度梁，而是用一个十字架形结构，实际上也是一种等强度梁，不过这种装置有两个等强度梁，分别作为十字架的X轴向和Y轴向，用来施加压力，如图1所示。 这是实验的被测表面的俯视图，表面是由我们用一块马口铁皮做成的。实验时在X轴、Y 轴方向分别悬挂砝码盘。砝码的重力通过试验台的等悬梁臂结构拉伸X或者Y方向的铁皮，铁皮的应力的变化引起光纤光栅中心波长的变化，因此为了保证试验的效果，光纤光栅的粘贴必须使光栅光纤紧贴被测表面时同时发生应变。 2 光纤光栅的制备 实验台准备好后重要的是制备光纤光栅，本实验使用3只不同中心波长的光纤光栅，串联成直角应变花来测试动态应力的变化，因而需制备3只不同波长的光纤光栅。由于实验条件的限制，试验室中只有两块相位掩模板，在实验室中只能制备两只光纤光栅，另外一只光纤光栅是已经制备好的光纤光栅。三只光纤光栅的波长位置分别在：1532nm，1544nm，1548nm处附近。 根据实验条件，组建一个光纤光栅制作系统，制作方法采用目前最有效，也是最流行的相位掩模法，其实验系统如图2所示。 本实验用光纤，是载氢掺锗光敏光纤-普通光纤经过载氢处理（在室温下，压强为107Pa 的容器中，载氢两周左右），使得普通通信光纤的光敏性大大增加，达到写制光栅的要求。实验所用的光谱分析仪为国产AV6361，分辨率选择0.2nm，宽带光源使用LED。
DS18B20温度传感器实验
DS18B20温度传感器实验 TEMP1 EQU 5AH ;符号位和百位公用的存放单元TEMP2 EQU 5BH ;十位存放单元 TEMP3 EQU 5CH ;个位存放单元 TEMP4 EQU 5DH ; TEMP5 EQU 5EH TEMP6 EQU 5FH ;数据临时存放单元 TEMP7 EQU 60H TEMP8 EQU 61H ORG 0000H AJMP MAIN
ORG 0020H
MAIN: MOV SP,#70H LCALL INT ;调用DS18B20初始化函数 MAIN1: LCALL GET_TEMP ;调用温度转换函数 LCALL CHULI ;调用温度计算函数 LCALL DISP ;调用温度显示函数 AJMP MAIN1 ;循环 INT: L0: SETB P3.7 ;先释放DQ总线 MOV R2,#250 ;给R2赋延时初值，同时可让DQ保持高电平2us L1: CLR P3.7 ;给DQ一个复位低电平 DJNZ R2,L1 ;保持低电平的时间至少为480us SETB P3.7 ;再次拉高DQ释放总线 MOV R2,#25 L2: DJNZ R2,L2 ;保持15us－60us CLR C ORL C,P3.7 ;判断是否收到低脉冲 JC L0
MOV R6,#100 L3: ORL C,P3.7 DJNZ R6,L3 ;存在低脉冲保持保持60us－240us ; JC L0 ;否则继续从头开始，继续判断 SETB P3.7 RET ;调用温度转换函数 GET_TEMP: CLR PSW.4 SETB PSW.3 ;设置工作寄存器当前所在的区域 CLR EA ;使用DS18B20前一定要禁止任何中断LCALL INT ;初始化DS18B20 MOV A,#0CCH ;送入跳过ROM命令 LCALL WRITE MOV A,#44H ;送入温度转换命令 LCALL WRITE LCALL INT ;温度转换完成，再次初始化18b20 MOV A,#0CCH ;送入跳过ROM命令 LCALL WRITE MOV A,#0BEH ;送入读温度暂存器命令 LCALL WRITE
详细剖析光纤温度传感器的工作原理和应用场景
详细剖析光纤温度传感器的工作原理和应用场景 温度是度量物体冷热程度的物理量，许多物理现象和化学过程都是在一定温度下进行，人们的日常生活也和温度密切相关。随着科学技术的迅猛发展，对温度的测量也提出了更多更高的要求。以电信号为工作基础的传统的光纤温度传感器特点光纤测温传感器测量温度的方法光纤传感器的基本原理几种光纤温度传感器的原理基于布里渊散射的分布式光纤传感技术基于布里渊光频域分析（BOFDA）技术的分布式光纤传感器光纤温度传感器的应用 光纤温度传感自问世以来, 主要应用于电力系统、建筑、化工、航空航天、医疗以至海洋开发等领域,并已取得了大量可靠的应用实绩。 1、光纤温度传感器在电力系统有着重要的应用，电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控; 高压配电装置内易发热部位的监测; 发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统; 各种大、中型发电机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断; 火力发电厂的加热系统、蒸汽管道、输油管道的温度和故障点检测; 地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等等。 2、光纤温度传感特别是光纤光栅温度传感器很容易埋入材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量, 因而被广泛的应用于建筑、桥梁上。美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家早就开展了桥梁安全监测的研究, 并在主要大桥上都安装了桥梁安全监测预警系统, 用来监测桥梁的应变、温度加速度、位移等关键安全指标。1999 年夏, 美国新墨西哥Las Cruces 10 号州际高速公路的一座钢结构桥梁上安装了120 个光纤光栅温度传感器,创造了单座桥梁上使用该类传感器最多的记录。 3、航空航天业是一个使用传感器密集的地方,一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等, 所需要使用的传感器超过100 个, 因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤传感器从尺寸小和重量轻的优点来讲, 几乎没有其他传感器可以与之相比。 4、传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的, 光纤光栅传感器是现今能够做到最小的
实验三 热电阻、热点偶测温特性实验
实验三热电阻、热电偶测温特性实验 一、实验目的：了解热电阻的特性与应用，了解热电偶测量温度的性能与应用范围。。 二、基本原理： 1、热电阻： 利用导体电阻随温度变化的特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用铂电阻和铜电阻在0-630.74℃以内，电阻Rt与温度t的关系为： R t=R0(1+A t+B t2) R0系温度为0℃时的电阻。本实验R0=100℃，A t=3.9684×10-2/℃，B t=-5.847×10-7/℃2，铂电阻现是三线连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。 2、热电偶 当两种不同的金属组成回路，如二个接点有温度差，就会产生热电势，这就是热电效应。温度高的接点称工作端，将其置于被测温度场，以相应电路就可间接测得被测温度值，温度低的接点就称冷端(也称自由端)，冷端可以是室温值或经补偿后的0℃、25℃。 三、需用器件与单元：加热源、K型热电偶（红+，黑-）、P t100热电阻、温度控制单元、温度传感器实验模板、数显单元、万用表，热电偶K型、E 型、加热源。 四、实验步骤： （一）热电阻： 1、注意：首先根据实验台型号，仔细阅读“温控仪表操作说”，学会基 本参数设定。 2、将热电偶插入台面三源板加热源的一个传感器安置孔中。将Ｋ型热电偶自由端引线插入主控面板上的热电偶EＫ插孔中，红线为正极，黑色为负极，注意热电偶护套中已安置了二支热电偶，Ｋ型和E型，它们热电势值不同，从热电偶分度表中可以判别Ｋ型和Ｅ型（Ｅ型热电势大）热电偶。E型（蓝+，绿-）；k型（红+，黑-） 3、将加热器的220V电源插头插入主控箱面板上的220V控制电源插座上。
光纤光栅应力传感器工作原理
四、光纤光栅应力传感器工作原理 光纤光栅技术是利用紫外曝光技术在光纤芯中引起折射率的周期性变化而形成的。光纤光栅中折射率分布的周期性结构，导致某一特定波长光的反射，从而形成光纤光栅的反射谱。光纤光栅应力传感器通常是将光纤光栅附着在某一弹性体上，同时进行保护封装。反射光的波长对温度、应力和应变非常敏感，当弹性体受到压力时时, 光纤光栅与弹性体一起发生应变，导致光纤光栅反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移量的度量来实现对温度、应力和应变的感测。其工作原理如图1 图1给出了光纤光栅应力传感器与波长解调仪组成的应力测量系统。它主要 由四个部分组成，第一部分为宽带光源，第二部分为光纤光栅应力传感器， 光纤光栅传感测量系统由四个部分组成，第一部分为宽带光源，第二部分为光纤光栅应力传感器，第三部分为基于可调F-P 滤波器的波长解调仪，第四部分为计算机及软件分析处理系统。图中给出等间隔分布多个光纤光栅应力传感器，这些光纤光栅通常要进行串接。由宽带光源发出的宽带光信号经过隔离器和3dB 耦合器传输到串接的传感光栅上，经过这些光纤光栅的波长选择后，一组不同波长的窄带光被反射，反射光再次经过3dB 耦合器由波长解调仪接收，经过波长解调仪对这些波长进行识别，得到一组应力传感信息，当边坡内部应力发生变化时，通过光栅解调器检测出波长的变化即应力变化，之后输入到计算机进行数据分析处理，最后得到边坡受到压力的分布状况，根据监测对象内部变化情况，判断是否会产生塌方，起到报警作用。 计算机 波长解调仪 宽带光源 耦合器 光纤光栅应力传感器 图1测量系统光路示意图 光隔离器 扫描电压 抖动信号 可调F-P 滤波器 混合器 LP 滤波器
实验十一 LM35温度传感器特性实验
实验十一 LM35温度传感器特性实验 【实验目的】 1、了解LM35温度传感器的基本原理和温度特性的测量方法； 2、测量LM35温度传感器输出电压与温度的特性曲线； 【实验仪器】 电磁学综合实验平台、LM35温度传感器、加热井、温度传感器特性实验模板 【实验原理】 1．电压型集成温度传感器（LM35） LM35温度传感器，标准T0-92工业封装，其准确度一般为±0.5℃。（有几种级别）由于其输出为电压，且线性极好，故只要配上电压源，数字式电压表就可以构成一个精密数字测温系统。内部的激光校准保证了极高的准确度及一致性，且无须校准。输出电压的温度系数K V=10.0mV/℃，利用下式可计算出被测温度t（℃）: U O=K V*t=(10mV/℃)*t 即： t(℃)= U O/10mV （11-1）LM35温度传感器的电路符号见图11-1，V o为输出端实验测量时只要直接测量其输出端电压U o，即可知待测量的温度。 图11-1
图11-2LM35传感器特性实验连接图 【实验步骤】 1、按图11-2，将实验平台加热输出与加热井（加热接口）连接，实验台风扇接口与加热井（风扇接口）连接。 2、调节PID控温表，设置SV：在表面板上按一下(SET)按键，SV表头的温度显示个位将会闪烁；按面板上的“▲”或“▼”键调整设置个位的温度；在按面板上按一下(SET)按键即可，SV表头的温度显示个位将会闪烁，再按“＜”键使表头的温度显示十位闪烁，按面板上的“▲”或“▼”键调整设置十位的温度；用同样方法还可设置百位的温度。调好SV所需设定的温度后，再按一下（SET）按键即可完成设置。将加热开关选择（快）档加热，待30秒后，仪器开始加热，控温表即可自动控制温度。调节不同温度，设定参照步骤2进行调节。 3、根据不同的实验连接不同的连接线，可参照上图。 【实验数据】 1、LM35传感器（工作电压5V）（直流电压表2V档测量） 表11-1 t(℃) 30 40 50 60 70 80 90 100 U 2、描绘.LM35传感器曲线，求出.LM35随温度变化的灵敏度S(mV/℃), 【注意事项】 1、加热器温度不能加热到120℃以上，否则将可能损坏加热器。
光纤光栅应变传感器产品及监测实例
光纤光栅应变监测 监测原理 光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。根据模耦合理论， Λ=n B 2λ的波长就被光纤光栅所反射回去（其中λ B 为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周 期，n 为纤芯的有效折射率）。 图1 光纤光栅的结构 反射的中心波长信号λB ，跟光栅周期Λ，纤芯的有效折射率n 有关，所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射的中心波长的变化。也就是说光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况。当布喇格光纤光栅做探头测量外界的温度、压力或应力时，光栅自身的栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长的变化推导出外界被测温度、压力或应力。 性能指标
主要特点 ★可靠性好、抗干扰能力强 ★ 测量精度高 ★ 分布式测量，测量点多，测量范围大。 ★ 传感头结构简单、尺寸小 ★ 抗电磁干扰、抗腐蚀、适于恶劣的化学环境 下工作。 ★ 系统安装使用过程中无需定标，使用寿命可 达25年以上，适用于长期监测。 应用领域 航空航天器、石油化学工业设备、电力设备、船舶结构、建筑结构、桥梁结构、医疗器具、核反应堆结构等 工程实例
采用光纤监测混凝土大管桩在施工过程中的应变结果分析 舟山万邦永跃船舶修造有限公司30万吨级舾装码头船坞应变监测 徐州矿务局张双楼煤矿主通风井冻法施工安全监测 内蒙古多伦电厂桩基静载测试 马来西亚宾城跨海大桥桩基承载力检测 深表土冻结外井壁光纤应力实测分析 监测点布置总体原则 为掌握竖井壁变形动态，并在今后继续发挥其安全预警作用，应布设较为全面完整的多方位监测体系，从而最大限度的发挥光纤光栅传感器的功能，经初步分析，井壁可能的变形主要包括：井壁受周围粘土挤压产生应变；应变引起井壁相对位移（井壁收敛）；深度不同引起叠加位移等，另外因采用冻法施工，井壁壁后温度也是影响作业面及支护初期安全的重要要素，这些要素很有可能成为护壁破坏失稳、发生恶性事故的诱发条件。综上述，竖井监测系统设计的总体原则是： 采用多层、多向监测的方法，在关键点（层）布置光纤应变、温度传感器，监测内容包括：井壁应变监测、壁后温度监测。 现场工况较为潮湿，施工线路较多，监测设备应具有很好的防水、防电磁干扰性能； 现场采集数据难度大，应采用微机室内实时采集的方式（数据采集中心）； 做好充足施工前准备工作，保证设备安装迅速，准确，不影响现场正常施工。 监测内容的确定 （1）应变监测：计划3层，分别位于170.0m、195.0m、220.0m（根据实际支模板时按照施工工艺做适当调整），每层布设监测点5个。监测点布置图见附图一，可与业主协商增加或减少监测层数、点数。 （2）温度监测：计划3层，分别位于170.0m、195.0m、220.0m（根据实际支模板时按照施工工艺做适当调整），每层布设监测点5个(与应变传感器处于同一位置靠外侧)。 （3）安装应变传感器时应考虑每层至少1个为竖井纵向方向安置。 （4）施工过程中可根据监测数据分析结果调整各阶段监测内容。 监测周期的确定 从前述本监测项目任务可以看到，本监测项目数据采集部分分为两个阶段，一为竖井开挖粘土层施工过程中的监测，二为粘土层通过后的监测。在施工过程中，为了做到全面掌握
光纤温度传感器
光纤温度传感器的种类很多，除了以上所介绍的荧光和分布式光纤温度传感器外，还有光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器以及基于弯曲损耗的光纤温度传感器等等，由于其种类很多，应用发展也很广泛，例如，应用于电力系统、建筑业、航空航天业以及海洋开发领域等等。 分布式光纤温度传感器在电力系统行业的发展 光纤温度传感器在电力系统的应用中得到发展，由于电力电缆温度、高压配电设备内部温度、发电厂环境的温度等，都需要使用光纤传感器进行测量，因此就促进了光纤传感器的不断完善和发展。尤其是分布式光纤温度传感器得到了改善，经过在电力系统行业的应用，从而使其接收信号和处理检测系统的能力都得到了提升。 光纤光栅温度传感器在建筑业的发展 光纤光栅温度传感器由于其较高的分辨率和测量范围广泛等优点，被广泛应用于建筑业温度测量工作中。西方很多发达国家都已普遍采用此系统，进行建筑物的温度、位移等安全指标的测试工作，例如，美国墨西哥使用光栅温度传感器，对高速公路上桥梁的温度进行检测。通过广泛使用，光栅温度传感器所存在的问题，如：交叉敏感的消除、光纤光栅的封装等都得到了解决，因而此系统得到了完善。 航空航天业中的应用发展 航空航天业使用传感器的频率较高，包括对飞行器的压力、温度、燃料等各方面的检测，都需要使用光纤温度传感器进行检测，并且所使用到的传感器数量多达百个，所以对传感器的大小和重量要求很严
格。因此，基于航空航天业对传感器的要求，光纤温度传感器的体积、重量规格方面都经过了调整。2222222分布式光纤温度传感器分布式光纤温度传感器，通常用在检测空间温度分布的系统，其原理最早于1981年提出，后随着科学家的实验研究，最终研制出了此项技术。这种传感器原理发展是基于三种传感器的研究，分别是瑞利散射、布里渊散射、喇曼散射。在瑞利散射（OTDR）和布里渊散射（OTDR）的研究已取得了很大的进展，因此未来的传感器研究热点，将放在对基于喇曼散射（OTDR）的新分布式光纤传感器的研究上。最近，土耳其Gunes Yilmaz开发出了一种分布式光纤温度传感器，此传感器的温度分辨率是1℃，空间分辨率是1.23m。在我国也有很多大学展开了对分布式光纤温度传感器的研究，例如，中国计量大学1997年发明出煤矿温度检测的传感器系统，其检测温度为-49℃～150℃，温度分辨率为0.1℃。 光纤荧光温度传感器 当前最热门的研究，就是针对光纤荧光温度传感器，其是利用荧光的材料会发光的特性，来检测发光区域的温度。这种荧光的材料通常在受到紫外线或红外线的刺激时，就会出现发光的情况，发射出的光参数和温度是有着必然联系的，因此可以通过检测荧光强度来测试温度。世界各国的高校都设计过此类传感器，例如，韩国汉城大学发现10cm的双掺杂光纤，在其915nm的地方所反射出的荧光强度所对应的温度指数是20℃～290℃；我国清华大学借用半导体GaAs原料来吸收光，进而以光随温度改变的原理，研发出了温度范围是0℃～
光纤光栅传感器及其发展趋势
【摘要】光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术。自1978年加拿大渥太华研究中心利用光纤的光敏效应成功制成第一根光纤光栅以来，光纤光栅传感器便因为体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等特点及其具有本征自相干能力强和能在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势而被广泛应用于各行各业。本文先对光纤光栅传感器的工作原理及其分类进行论述，接着简述光纤光栅传感器的一些重要应用，然后对光纤光栅传感器的研究方向进行简单分析，最后是小结和展望。 【关键词】传感器；光纤光栅传感器；光纤光栅传感技术 一、光纤光栅传感器的工作原理及其分类 光纤光栅是利用光致折射率改变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅传感器目前研究的主要有三种类型：一是利用光纤布喇格光栅（FBG ）背向反射特征制作的传感器；二是利用长周期光纤光栅（LPG ）同向透射特征制作的传感器；三是利用啁啾光纤光栅色散补偿特征制作的传感器。下面将对这三种传感器的传感机理进行简单概述。 1.1 光纤布喇格光栅传感原理 光纤布喇格光栅纤芯轴向的折射率呈现周期性变化，其作用的实质相当于是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。如图1-1所示，当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布喇格条件的波长将产生反射，其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输。 图1-1 光纤布喇格光栅原理图 光纤布喇格光栅反射谱的中心波长B λ满足 Λ=eff n 2B λ 其中，eff n 为有效折射率，Λ为光纤光栅栅距。 光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界条件诸如温度、压力等的作用下，光
光纤温度传感器简介
光纤温度传感器 摘要：本文分析了光纤温度传感器在温度探测中的优势，分别介绍了分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器的工作原理，最后综述了光纤温度感器在现代工业及生活的应用。 关键字：光纤传感温度应用 1引言 在科研和生产中，有很多温度测量问题，传统的温度传感器有热电偶，热电阻温度传感器，热敏电阻温度传感器，半导体温度传感器等等。光纤温度传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器。与传统的温度传感器相比，它具有灵敏度高，体积小，质量轻，易弯曲，不产生电磁干扰，不受电磁干扰，抗腐蚀性好等等优点，特别适用于易燃，易爆，空间狭窄和具有腐蚀性强的气体，液体以及射线污染等苛刻环境下的温度检测。 2光纤温度传感器分类 光纤温度传感器按照调制机理可分为相位调制，振幅调制，偏振态调制；按工作原理分，光纤温度传感器可分为功能性和传输型两种。功能型温度传感器中光纤作为传感器的同时也是光信号的载体，而传输型温度传感器中光纤则只传输光信号。传光型与传感型相比，虽然灵敏度稍差，但可靠性高，实用的传感器大多是这种类型。 目前主要的光纤温度传感器包括分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等。 2.1光纤光栅温度传感器 光纤光栅温度传感器是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测温的。光纤光栅以波长为编码，具有传统传感器不可比拟的优势，近年来光纤光栅成为发展最为迅速，最具代表性的光纤无源器件之一，已广泛用于建筑、航天、石油化工、电力行业等。 光纤光栅温度传感器主要有Bragg光纤光栅温度传感器和长周期光纤光栅传感器。Bragg光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光纤型Bragg光栅，成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg 光栅效应，其基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器，满足如下光学方程： =2nA 式中：为Bragg波长，A为光栅周期，n为光纤模式的有效折射率。 长周期光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，其传光原理是将前向传输的基模耦合到前向传输的包层模中。由于其宽带滤波、极低的背景发射等特点引起人们的重视，是一种新型的宽带带阻滤波器。 光纤温度监测系统主要由光纤光栅传感器、传输信号用的光纤和光纤光栅解调器组成。光纤光栅解调器用于对光纤光栅传感器的信号检测和数据处理，以获得测量结果，传输光纤用于传输光信号，光纤光栅传感器则主要用于反射随温度变化中心波长的窄带光，如图1所示：
实验十二集成电路温度传感器特性测量全解
实验十二集成电路温度传感器特性测量一．概述 温度传感器的特性测量和定标是大学普通物理热学实验和电磁学实验中的一个基本内容，是新的全国理工科物理实验教学大纲中一个重要实验。为开设好此实验，由复旦大学物理实验教学中心和上海复旦天欣科教仪器有限公司协作，联合研制了采用DS18B20单线数字温度传感器为测量元件的新一代恒温控制仪。新仪器与同类其它仪器相比，有以下四个优点：1)传感器体积小;2)控温精度高;3)无污染及噪声(无水银污染且不用继电器);4)设定温度和测量温度均用数字显示。本实验仪器可用于各种温度传感器的特性测量和各种材料的电阻与温度关系特性测量实验，本仪器也可用于物理化学实验做恒温仪用，它是理工科大学普通物理实验必备重要实验装置之一。 二．用途 1.电流型集成温度传感器AD590的特性测量和应用: (1)测量AD590输出电流和温度的关系，计算传感器灵敏度及C 0时传感器输出电流 值。 (2)用AD590传感器,电阻箱,数字电压表和直流电源等设计并安装数字式摄氏温度计。 (3)测量集成温度传感器AD590在某恒定温度时的伏安特性曲线，求出AD590线性 使用范围的最小电压 U。 r 三．仪器组成与技术指标 1.仪器组成 如图1所示，本机为有单片控制的智能式数字恒温控制仪、量程为0－19.999V四位半数字电压表、直流1.5V-12V稳压输出电源、可调式磁性搅拌器以及2000ml烧杯、加热器、玻璃管（内放变压器油和被测集成温度传感器）等组成。
图1 2.技术指标： A.温控仪 (1)温度计显示工作温度：0℃－100℃ (2)恒温控制温度：室温－80o C (3)控制恒温显示分辨精度：≤±0.1℃ B.直流数字电压表 (1)量程：0－19.999V (2)读数准确度：量程0.03%±5个字 (3)输出电阻：20Ω(为了防止长时间短路内接电阻) C.温度传感器DS18B20的结构与技术特性（控温及测温用）： (1)温度测量范围：-55℃－125℃ (2)测温分辨率：0.0625℃ (3)引脚排列(如图2所示)：
新型光纤温度传感器
电磁场与微波技术孟强200911718 新型光纤传感器 本文主要介绍了晶体吸收式光纤温度传感器（半导体吸收式温度传感器）和折射率传感器（以飞秒激光脉冲在单模光纤中钻微孔来测量折射率的一篇文献来说明）。 1、晶体吸收式光纤温度传感器 1-1、概述 晶体吸收式光纤温度传感器是利用半导体晶体的光吸收与温度的依赖关系制作的温度传感器，体积小，成本低。利用砷化镓晶片吸收光谱随温度变化的特性实现温度的实时测量。该项产品具有不受电磁干扰，瞬时响应，测温精确等特点，可广泛应用于油田、油库、电力系统、大型粮仓、化工、印染等一些易燃、易爆和无法通过常规电测量方式进行温度监控的场所，有效地解决了在复杂、特殊环境条件下的实时温度监控问题。 基于砷化镓晶体光谱吸收特性而成功研制的晶体吸收式光纤温度传感器，测量精度高，响应时间快；项目采用光纤分光技术，降低了对光源稳定度的要求，使传感器更加实用、稳定；该传感器采用微型光纤准直器，有效地减小了测温探头的体积。 1-2、基本原理 下面介绍下晶体吸收型光纤温度传感器的测温原理 信号控制分析器中的光源发出多重波长的白光，通过光纤连接器
传输到感应器。感应器由一根多模光纤（表面由两层耐用的PTFE包裹），光纤末端有一个砷化镓的晶体。 晶体吸收式温度传感器是利用半导体材料的吸收光谱随温度变 化的特性实现的。当温度变化时，透过半导体材料的光强将发生变化，输出电压也将发生变化。只要检测出输出电压的大小，即可得出对应的温度量，从而求出被测温度。 下图为一定范围内相对光强与温度的关系 1-3、系统设计 1-3-1、系统结构 半导体吸收型光纤温度传感器系统结构如图2所示。包括发光管稳流电路，半导体发光二极管，传输光纤，半导体温度探头，光探测器以及前置放大电路和低通滤波器。发光稳流电路驱动发光二极管发光，测量光经过光纤进入温度探头，探头中砷化镓材料对光有吸收作用，其透过光强与温度有关，经光纤传输后，由光电探测器检测，经信号
光纤温度传感器的研究
光纤温度传感器的研究 毕业生：夏正娜 指导老师：王兆民孟瑜 摘要：光纤温度传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器，与传统的温度传感器相比，它具有灵敏度高、体积小、质量轻、易弯曲、抗电磁干扰等优点；特别适用于易爆、易燃、腐蚀性强等苛刻环境下的温度检测。因此，光纤温度传感器得到迅速发展。 本文根据双光束干涉原理，自行构成了一个干涉型光纤温度传感器，观察干涉图样，对其进行了实验研究，阐述了它的原理，实验步骤，将得到的数据进行了分析处理，验证了本实验测量温度的可行性，并对实验装置进行了改造。 关键词：光导纤维光纤温度传感器干涉原理干涉型光纤温度传感器 Abstract ：Optical fiber temperature sensor is a new developed type of sensor in the 70s of the Twentieth Century. Compared with the traditional temperature sensors，it owns a lot of advantages，such as higher sensitivity，smaller volume，slighter mess ，easier to bend and stronger capacity of Shielding the electro-magnetic interference. Particularly，it can be applied to detect the temperature of the explosive，flammable and corrosive matters in harsh environment. Therefore, optical fiber sensor developed rapidly in recent years. This paper bases on the interference principle, it construct a interference optical fiber temperature sensor. Observing the interference fringe, analyzing the experiment result, detailing its principle and experiment steps, then I can get some data to deal with the data. The data copes the theory perfectly. At last, I propose some advices to improve this experiment. Key word ：Optical fiber Optical fiber temperature sensor Interference principle interference optical fiber temperature sensor. 1. 引言 温度是度量物理冷热程度的物理量，许多物理现象和化学现象都是在一定的温度下进行的。温度是作为衡量客观物质世界运动及其存在状态的一个重要物理量，温度信息的获得，可以使人们能够更好地掌握客观世界的内在规律。随着科学技术的发展，各个领域对测温元件的性能和效率提出了越来越高的要求，特别是工业、医学、电力等领域，在有强电磁干扰或易燃易爆的场合下，传统温度传感器便受到很大的限制。 光纤传感器是上世纪70年代中期发展起来的一种新型的传感器，是光纤和光纤通信技术发展的产物。由于光纤具有体积小、重量轻、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、灵敏度高等特点，能完成传统的传感器很难完成或者不能完成的任务。光纤传感技术用于温度测量，除了具有以上特点外，与传统的温度测量仪器相比，还具有响应快、频带宽、防爆、抗电磁干扰等优点，因此，光纤温度传感器是光纤传感器发展的一个
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