光纤传感器应用与控制设计.doc

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泰山学院

本科毕业论文

光纤传感器应用与控制设计

杨大伟2006080174

专业名称电子信息科学与技术

申请学士学位所属学科工科

指导教师姓名、职称 鲁晶

年月日

摘要

摘要

光纤传感器测温系统在工业生产和科学研究等领域有着广泛的应用前景，特别具有智能化功能的光纤测温系统。

开发一种具有显示、存储、时钟、参数输入及总线功能等功能的智能化光纤传感测温装置及系统在工程实践中具有十分重要的意义。

本文就是研究以电力系统高压装置SF6的气体温度进行在线监测为实际应用背景，设计研究一种智能光纤传感器测温应用系统。

文中首先介绍了光纤测温的物理依据，详细论述了光纤温度测量系统中各主要组成部分的特性包括光纤的传输特性以及物理特性.根据实验条件合理的选择了光纤信号、光电池探测器、LED光源及其光纤祸合方式。

并对温度测量所采用的光纤液体温度测量原理加以论述，且对设计方案进行了优化分析。

利用了CAN通讯总线智能温度测量仪表，在此基础上设计了一个智能光纤传感器测温的应用系统。

实验结果表明，系统的测量精度误差小十OC，整个测量温度系统具有测试重复性好，结果简单和抗干扰能力强等优点。

相信该智能光纤温度传感器系统将在一些特殊的温度测量领域具有广阔的应用前景。

关键词:

光纤、传感器、智能化、温度测量

19

Abstract

ABSTRACT

FiberOpticTemperatureSensorSystemhavebroadapplicationprospectsintheareasofindustrialproductionandscientificresearchandsoon,especialyhavingtheintelligencecapabilitiesoffiberoptictemperaturemeasurementsystem.Itisveryimportanttodevelopakindofdisplay,memory,clock,parameterinputandbusfunctionalcapabilitiesoftheintelligentopticalfibertemperaturesensingdevicesandsystemsinengineeringpractice.

Thisstudyisonthebackgroundofthehigh-voltagepowersystemequipmentSF6gastemperatureforthepracticalapplicationofon-linemonitoringtodesignanintelligentopticalsensortemperatureapplications.Thepaperatfirstintroducesthephysicalbasisofopticalfibertemperaturemeasurementanddiscussesindetailthemaincomponentsofthesystem,includingthefibertransmissioncharacteristicsandphysicalproperties.Accordingtotheexperimentalconditions，Ireasonablechoosethefiberopticsignal,photovoltaicdetectors,LEDlightsourceandopticalcouplingmethods.AndIdiscussthefiberoptictemperaturemeasurementprincipleoftheliquidusedbytemperaturemeasurements,thenIoptimizethedesign.UsingtheCANcommunicationbusintelligenttemperaturemeasuringinstruments,onthisbaseIdesignanintelligentfiberoptictemperaturesensorapplications.

Itshowsthatthesystemofmeasurementprecisionofasmall1010C,thetemperaturemeasurementsystemwiththetestre-Refolding,andtheresultssimpleandanti-jammingcapabilityandsoon.Ibelievethattheintelligentfiberoptictemperaturesensorsystemwillhavepotentialapplicationsinthefieldofsomeparticulartemperaturemeasurement

Keywords:

opticalfiber,sensor,intelligent,temperaturemeasurement

目录

目录

1.绪论 2

1.1引言 2

1.1.1课题的研究意义 2

1.1.2课题研究实际背景 3

1.2光纤传感器研究现状及发展趋势 3

1.2.1国外光纤传感器的研究现状 3

1.3本文的主要研究内容 5

2光纤传感原理及传感特性 5

2.1光纤传感原理及分类 5

2,2光纤传感器的应用 7

3光纤温度传感器的原理与设计 8

3.1光纤温度测量原理 8

3.2光纤液体测温的基本原理 10

3.2.1基本原理 10

3.2.2液体的温度特性 11

3.2.3包层折射率变化的光纤温度传感器原理 12

3.3光提取检测处理 13

3.3.2光导纤维 14

3.3.3光探测器 15

3.3.4信号检测电路 15

3.4本章小结 17

参考文献 18

致谢 19

目录

泰山学院本科毕业论文

1.绪论

1.1引言

随着信息社会的发展，传感器技术作为高新信息技术，其重要作用口益显著。

早在80年代，美国就认为世界已进入传感器时代，口本将传感器技术列为十大技术之首，我国也将传感器技术列为国家“七五”、“八五”重点科技攻关项目。

光纤传感器是世界上兴起的一种新型传感技术，是科技工作者应用光纤通讯和集成光学技术成就，并加以发展的结晶。

光纤传感器被列入现代传感器技术发展方向之一，并在理论和应用上投入大量的研究工作，尤其是近几年，它的发展异常迅速，显现出巨大的开发潜力，受到一些工业先进国家政府和研究单位的高度重视。

光子技术是光子学与电子学结合而成的技术，作为信息载体的光子在速度容量、空间容量、响应速度、并行处理能力等方面具有电子所不具备的优越性。

近二十年来，以光子传输与处理技术为基础的光纤传感器应用技术逐渐成为各国研究的热点，该技术属十光子技术的研究与应用范围，是光纤、半导体器件和光通信等技术结合发展的产物。

随着社会经济和科学技术的高速发展，整个电力系统对高质量、高可靠性的电能供应提出了越来越高的要求。

逐步实现电力系统的配电自动化、电气化、智能化，以提高整个配电系统的供电可靠性，其社会效益和经济效益都是非常明显的。

但是，常规的测量方法已经不能满足电力系统的要求。

光纤测量技术以其特有的性能广泛应用到电力系统中。

在电力系统中，光纤技术同常规方法相比，有其独特的优越性。

正是这些特性使得它在该领域具有不可替代的用途。

1.1.1课题的研究意义

六氟化硫（SF6）因其良好的电气性能和稳定的化学结构被广泛应用十高电压、大容量、高参数电气设备中。

随着SF6高压电器的口益增多及SF}封闭式组合电器（简称GIS）系统的广泛应用，如何正确开展SF6气体密度监测的工作是一个急需研究的问题。

光纤SF6气体密度的测量是SF6气体密度测量的一个重要研究方向，光纤SF6气体密度测量具有许多独特的优点。

近年来，它在高压配电开关、高压配电设备、大功率变送器、高压电缆区域的安全保护等方面的应用受到广泛的重视。

本系统提出的在线监测SF6气体的光纤传感器及其系统，实时提供气体密度信息有着重要的理论意义与实用价值。

本系统正是基十这个意义之上研究的，因为该气体的密度与气体的压力环境温度的重要关系，所以研究出一个具有智能化的温传感器系统就显的格外的重要。

1.2光纤传感器研究现状及发展趋势

1966年英国的K.C.Kao,G.A.Hockpam等人首先提出了用玻璃纤维传输光信息，奠定了光纤通讯和光纤传感技术的理论基础，引起了学术界和实业界的极大兴趣，也推动了光纤制造工艺的研究发展;1970年美国康宁公司的D.B.Keck,A.R.Yynes等人率先制造了低损耗（20dB/km）石英光纤，随后光纤在光通讯等领域逐渐得到了广泛应用，同时人们逐渐意识到利用光纤的许多特性可以进行物理量的测量:

70年代中期光纤传感器一经出现，就受到各国有关研究部门和产业界的高度重视。

1.2.1国外光纤传感器的研究现状

由十光纤传感器应用的广泛性及其广阔的市场，其研究和开发在世界范围内引起了高度的重视，各发达国家更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。

美国是研究光纤传感器起步最早，水平最高的国家，在军事和民用领域的应用方面，其进展都十分迅速。

在军事应用方面，他们研究和开发主要包括:

水下探测的光纤传感器、用十航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用十核辐射检测的光纤传感器等。

这些研究都分别由美国空军、海军、陆军和国家宇航局（NASA）的有关部门负责，并得到许多大公司的资助。

美国也是最早将光纤传感器用十民用领域的国家。

如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检测肉类和食品的细菌和病毒等。

美国的很多大学、研究单位和公司都开展了光纤传感器的研究和开发，如斯坦福大学、弗吉尼业理工大学、Babock&Wi1cox公司、Accuflbe:

公司、Fidber街Elamies公司、EOTcc公司、Optical技术公司等。

据统计，1993年以后，美国光纤传感器的销售总额每年以30-40%的增长速度发展，到2000年达到100亿美元。

近期的调查结果表明，美国光纤传感器的研究开发重点己向民用领域转移，民用光纤传感器的产量已大大超过军用传感器。

日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。

口本在80年代便制定了“光控系统应用计划”，该计划旨在将光纤传感器用十大型电厂，以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生产过程的控制。

90年代，由东芝、口本电气等15家公司和研究机构，研究开发出12种具有一流水平的民用光纤传感器，其中最有代表性的是波长扫描型光纤温度传感器。

它是光纤传感器网络系统，可把分散在工厂各场所的信息进行时序化处理，并以全光方式收集。

这种网络