光纖溫度傳感器畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　Abstract</b></p><p><b>　　1 引言：</b></p><p>　　光纖溫度傳感器是一種新型的溫度傳感器．它具有抗電磁干擾、耐高壓、耐腐蝕、防爆防燃、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，其中幾種主要的光纖溫度傳感器：分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器和基于彎

2、曲損耗的光纖溫度傳感器更有著自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的傳感器相比具有一下優(yōu)點(diǎn):靈敏度高;是無(wú)源器件，對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響;光纖耐高壓，耐腐蝕，在易燃、易爆環(huán)境下安全可靠;頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大;幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性;可以與光纖遙測(cè)技術(shù)相配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制;體積小，重量輕等。它將在航空航天、遠(yuǎn)程控制、化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)療、安全保險(xiǎn)、電力工業(yè)等特殊環(huán)境下測(cè)溫有著廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　在本論文中

3、將詳細(xì)分析當(dāng)前光纖溫度傳感器的主要種類(lèi)和各自的原理，特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。</p><p><b>　　2 論文要求：</b></p><p>　　（1）詳細(xì)分析國(guó)內(nèi)外主要光纖溫度測(cè)溫方法的原理及特點(diǎn)，比較不同方法的溫度測(cè)量范圍和性能指標(biāo)。</p><p>　?。?）掌握空調(diào)器的工作電氣原理和基本的熱力學(xué)過(guò)程。</p><p>

4、;<b>　　3 畢業(yè)論文綜述：</b></p><p>　　70年代中期，人們開(kāi)始意識(shí)到光纖不僅具有傳光特性，且其本身就可以構(gòu)成一種新的直接交換信息的基礎(chǔ)，無(wú)需任何中間級(jí)就能把待測(cè)的量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來(lái)。1977年，美國(guó)海軍研究所開(kāi)始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)計(jì)劃，這被認(rèn)為是光纖傳感器問(wèn)世的日子。從這以后，光纖傳感器在全世界的許多實(shí)驗(yàn)室里出現(xiàn)。</p><p>　　從7

5、0年代中期到80年代中期近十年的時(shí)間，光纖傳感器己達(dá)近百種，它在國(guó)防軍事部門(mén)、科研部門(mén)以及制造工業(yè)、能源工業(yè)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和日常消費(fèi)部門(mén)都得到實(shí)際應(yīng)用。從目前的情況看，己有一些形成產(chǎn)品投入市場(chǎng)，但大量的是處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比具有一下優(yōu)點(diǎn):靈敏度高;</p><p>　　是無(wú)源器件，對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響;光纖耐高壓，耐腐蝕，在易燃、易爆環(huán)境</p><p>　　下安

6、全可靠;頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大;幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性;可以與光纖</p><p>　　遙測(cè)技術(shù)相配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制;體積小，重量輕等。</p><p>　　目前，世界各國(guó)都對(duì)光纖傳感器展開(kāi)了廣泛，深入的研究，幾個(gè)研究工作開(kāi)展早的國(guó)家情況如下:美國(guó)對(duì)光纖傳感器研究共有六個(gè)方面:這些項(xiàng)目分別是:光纖傳感系統(tǒng);現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng);光纖陀螺;核輻射監(jiān)控;飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控;民用研究計(jì)劃。以

7、上計(jì)劃僅在1983年就投資12-14億美元。美國(guó)從事光纖傳感器研究的有美國(guó)海軍研究所、美國(guó)宇航局、西屋電器公司、斯坦福大學(xué)等28個(gè)主要單位。美國(guó)光纖傳感器開(kāi)始研制最早，投資最大，己有許多成果申請(qǐng)了專(zhuān)利。</p><p>　　英國(guó)政府特別是貿(mào)易工業(yè)部十分重視光纖傳感器技術(shù)，早在1982年有該部為首成立了英國(guó)光纖傳感器合作協(xié)會(huì)，到1985年為止，共有26個(gè)成員，其中包括中央電器研究所、Delta控制公司、帝國(guó)化學(xué)工業(yè)

8、公司、英國(guó)煤氣公司、Taylor儀器公司、標(biāo)準(zhǔn)電信研究所及幾所主要大學(xué)。</p><p>　　德國(guó)的光纖陀螺的研究規(guī)模和水平僅次與美國(guó)居世界第二位，西門(mén)子公司在1980年就制成了高壓光纖電流互感器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。</p><p>　　日本制定了1979-1986年“光應(yīng)用計(jì)劃控制系統(tǒng)”的七年規(guī)劃，投資達(dá)70億美金。有松下、三菱、東京大學(xué)等24家著名的公司和大學(xué)從事光纖傳感器研究。從1980年7

9、月到1983年6月，申請(qǐng)光纖傳感器的專(zhuān)利464件，涉及11個(gè)領(lǐng)域。主要應(yīng)用于大型工廠(chǎng)，以解決強(qiáng)電磁千擾和易燃、易爆等惡劣環(huán)境中信息測(cè)量、傳輸和生產(chǎn)全過(guò)程的控制問(wèn)題。</p><p>　　我國(guó)光纖傳感器的研究工作于80年代初開(kāi)始，在“七五”規(guī)劃中提出15</p><p>　　項(xiàng)光纖傳感器項(xiàng)目，其中有光纖放射線(xiàn)探測(cè)儀、光纖溫度傳感器及溫度測(cè)量系統(tǒng)、</p><p>　　

10、光纖陀螺、光纖磁場(chǎng)傳感器、光纖電流、電壓傳感器、醫(yī)用光纖傳感器、分析用</p><p>　　傳感器、集成光學(xué)傳感器等。預(yù)計(jì)“七五”期間的研制成果可達(dá)到美、日等國(guó)</p><p>　　80年代初、中期水平。</p><p>　　半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器基本上是80年代興起的，其中以日本的研究最為廣泛。在1981年，Kazuo、Kyuma等四人在日本三菱電機(jī)中心實(shí)驗(yàn)室

11、，首次研制成功采用GaAs、和Care半導(dǎo)體材料的吸收型光纖溫度傳感器。由于人們對(duì)半導(dǎo)體材料認(rèn)識(shí)的不斷深入，以及半導(dǎo)體制造和加工工藝水平的不斷提高，使人們對(duì)采用半導(dǎo)體材料來(lái)制作各種傳感器的前景十分看好。在90年代前后，</p><p>　　出現(xiàn)了研究以硅材料作為溫度敏感材料的光纖溫度傳感器。在1988年，Roorkee</p><p>　　大學(xué)R.P.Agarwal等人，采用CIrD(化學(xué)

12、氣象淀積)技術(shù)，在光纖端面上淀積多</p><p>　　晶硅薄膜，試制了硅吸收型光纖溫度傳感器。同年，Isko Kajanto等人采用SOI結(jié)構(gòu)，以光纖反射的方式，制作了單晶硅吸收型溫度傳感器。目前，以GaAs 和CdTe直接帶隙半導(dǎo)體材料的吸收型光纖溫度傳感器，已接近實(shí)用化。</p><p>　　國(guó)內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器的研究起步較晚，興起于90年代后期。</p>

13、<p>　　主要集中在清華大學(xué)，華中理工大學(xué)，東南大學(xué)等高校。他們對(duì)該種類(lèi)型的傳感</p><p>　　器結(jié)構(gòu)，特性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和實(shí)踐。但大量的研究只集中在GaAs半導(dǎo)體作為感溫材料的傳感器上，與國(guó)外在該領(lǐng)域的研究水平仍有較大差別。</p><p>　　4 光纖溫度傳感器的特點(diǎn)：</p><p>　　光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比具有很

14、多優(yōu)點(diǎn)：光波不產(chǎn)生電磁干擾，也不怕電磁干擾，易被各種光探測(cè)器件接收．可方便地進(jìn)行光電或電光轉(zhuǎn)換．易與高度發(fā)展的現(xiàn)代電子裝置和計(jì)算機(jī)相匹配．光纖工作頻率寬．動(dòng)態(tài)范圍大，是一種低損耗傳輸線(xiàn)，光纖本身不帶電．體積小質(zhì)量輕，易彎曲，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受?chē)?yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)光纖溫度傳感技術(shù)的應(yīng)用研究已取得豐富成果．不少光纖溫度傳感器系統(tǒng)已實(shí)用化．成為替代傳統(tǒng)溫度傳感器的商品。所有與溫度相關(guān)

15、的光學(xué)現(xiàn)象或特性．本質(zhì)上都可以用于溫度測(cè)量．基于此．用于溫度測(cè)量的現(xiàn)有光學(xué)技術(shù)相當(dāng)豐富。對(duì)于光纖溫度傳感器的研究占到將近所有光纖傳感器研究的20％。光纖溫度傳感器的研究．除對(duì)現(xiàn)有器件進(jìn)行外場(chǎng)驗(yàn)證、完善和提高外，目前有以下幾個(gè)發(fā)展動(dòng)向：大力發(fā)展測(cè)量溫度分布的測(cè)量技術(shù)．即由對(duì)單個(gè)點(diǎn)的溫度測(cè)量到對(duì)光纖沿線(xiàn)上溫度分布．以及大面積表面溫度分布的測(cè)量：開(kāi)發(fā)包括測(cè)量溫度在內(nèi)的多功能的傳感器：研制大型傳感器陣列．實(shí)現(xiàn)全光學(xué)遙測(cè)。光纖測(cè)溫傳感器是用光纖來(lái)

16、測(cè)量溫度的。有兩種方法可實(shí)現(xiàn)。一是利用被測(cè)表面輻射能隨溫度的變化而變化的特點(diǎn)；</p><p>　　5 光纖傳感器的基本原理</p><p>　　在光纖中傳輸?shù)膯紊獠捎萌缦滦问降姆匠瘫硎綞=式中，是光波的振幅：w是角頻率；為初相角。該式包含五個(gè)參數(shù)，即強(qiáng)度、頻率w、波長(zhǎng)、相位（wt+）和偏振態(tài)。光纖傳感器的工作原理就是用被測(cè)量的變化調(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對(duì)已知調(diào)制

17、的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而得到被測(cè)量。當(dāng)被測(cè)物理量作用于光纖傳感頭內(nèi)傳輸?shù)墓獠〞r(shí)，使的強(qiáng)度發(fā)生變化，就稱(chēng)為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器；當(dāng)作用的結(jié)果使傳輸光的波長(zhǎng)、相位或偏振態(tài)發(fā)生變化時(shí)，就相應(yīng)的稱(chēng)為波長(zhǎng)、相位或偏振調(diào)制型光纖傳感器。</p><p><b>　　5.1強(qiáng)度調(diào)制</b></p><p>　　5.1.1 發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制傳感器的調(diào)制原理 </p><

18、p>　　光纖傳感器中發(fā)光強(qiáng)度的調(diào)制的基本原理可簡(jiǎn)述為，以被測(cè)量所引起的發(fā)光強(qiáng)度變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的檢測(cè)和控制。其基本原理如圖所示。光源S發(fā)出的發(fā)光強(qiáng)度為的光柱入傳感頭，在傳感頭內(nèi)，光在被測(cè)物理量的作用下強(qiáng)度發(fā)生變化，即受到了外場(chǎng)的調(diào)制，使得輸出發(fā)光強(qiáng)度產(chǎn)生與被測(cè)量有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的變化。由光電探測(cè)器檢測(cè)出發(fā)光強(qiáng)度的信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理解調(diào)就得到了被測(cè)信號(hào)。</p><p>　　5.1.2 發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的方式&

19、lt;/p><p><b>　　利用光纖微彎效應(yīng)；</b></p><p>　　利用被測(cè)量改變光纖或者傳感頭對(duì)光波的吸收特性來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制；</p><p>　　通過(guò)與光纖接觸的介質(zhì)折射率的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制；</p><p>　　在兩根光纖間通過(guò)倏逝波的耦合實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制；</p><p>

20、;　　利用發(fā)送光纖和接收光纖作相對(duì)橫向或縱向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制，這是當(dāng)被測(cè)物理量引起接收光纖位移時(shí)，改變接收發(fā)光強(qiáng)度，從而達(dá)到發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的目的。這種位移式發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的光纖傳感器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)較為成熟的光纖傳感器。</p><p>　　5.1.3 發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制型傳感器分類(lèi)</p><p>　　根據(jù)其調(diào)制環(huán)節(jié)在光纖內(nèi)部還是在光纖外部可以分為功能型和非功能型兩種。強(qiáng)度調(diào)制式光纖傳感器

21、的特點(diǎn) 解調(diào)方法簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、運(yùn)行可靠、造價(jià)低。缺點(diǎn)是測(cè)量精度較低，容易產(chǎn)生偏移，需要采取一些自補(bǔ)償措施。</p><p>　　5.2相位調(diào)制 光纖傳感器的基本原理</p><p>　　通過(guò)被測(cè)量的作用，使光纖內(nèi)傳播的光相位發(fā)生變化，再利用干涉測(cè)量技術(shù)把相位轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測(cè)出待測(cè)的物理量。如圖5-40其中圖a、b、c分別為邁克爾遜、馬赫-曾德和法布里-珀羅式的全光纖干涉儀結(jié)構(gòu)。&

22、lt;/p><p>　　5.3 波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器的基本原理</p><p>　　波長(zhǎng)調(diào)制傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖5-41。</p><p><b>　　6 光纖溫度傳感器</b></p><p>　　6.1幾種光纖溫度傳感器的原理和研究現(xiàn)狀</p><p>　　光纖溫度傳感器按其工作原理可分為功能型和傳

23、輸型兩種。功能型光纖溫度傳感器是利用光纖的各種特性f相位、偏振、強(qiáng)度等)隨溫度變換的特點(diǎn)，進(jìn)行溫度測(cè)定。這類(lèi)傳感器盡管具有”傳”、”感”合一的特點(diǎn)．但也增加了增敏和去敏的困難。傳輸型光纖溫度傳感器的光纖只是起到光信號(hào)傳輸?shù)淖饔茫员荛_(kāi)測(cè)溫區(qū)域復(fù)雜的環(huán)境．對(duì)待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是靠其他物理性質(zhì)的敏感元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這類(lèi)傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問(wèn)題．增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，且對(duì)機(jī)械振動(dòng)之類(lèi)的干擾較敏感．下面介紹幾種主要的光纖溫度傳感器的原

24、理和研究現(xiàn)狀。</p><p>　　6.1.1分布式光纖溫度傳感器</p><p>　　分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)是一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的傳感器系統(tǒng)。分布光纖傳感器系統(tǒng)最早是在1981年由英國(guó)南安普敦大學(xué)提出的．1983年英國(guó)的Hartog用液體光纖的拉曼光譜效應(yīng)進(jìn)行了分布式光纖溫度傳感器原理性實(shí)驗(yàn)．1985年英國(guó)的Dakin在實(shí)驗(yàn)室用氬離子激光器作為光源進(jìn)行了用石英光纖的拉曼光譜效應(yīng)的

25、分布光纖溫度傳感器測(cè)溫實(shí)驗(yàn)．同年Hartog和Dakin分別獨(dú)立地用半導(dǎo)體激光器作為光源，研制了分布光纖溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置：此后。分布光纖溫度傳感器得到了很大的發(fā)展．研究出了多種傳感機(jī)理．有的還使用了特種光纖。分布式光纖溫度傳感器是基于瑞利散射、布里淵散射、喇曼散射三種分布式溫度傳感器。分布式光纖傳感器從最初提出的基于光時(shí)域散射OTDR的瑞利散射系統(tǒng)開(kāi)始．經(jīng)歷了基于0TDR的喇曼散射系統(tǒng)和基于0TDR的布里淵散射系統(tǒng)．使得測(cè)溫精度和范圍

26、大幅提高。光頻域散射OFDR)的提出也很早，但只有到了近期．伴隨著喇曼散射和布里淵散射研究的深入．使OFDR和它們結(jié)合才顯示出了它的優(yōu)越性?；?TDR和OFDR的分布式溫度光纖傳感器已經(jīng)顯示出了很大的優(yōu)越性．所以基于OTDR、0FDR的分布式溫度光纖傳感</p><p>　　6.1.2 光纖光柵溫度傳感器</p><p>　　光纖光柵溫度傳感技術(shù)主要研究通過(guò)外界物理參量對(duì)光纖布拉格（Br

27、agg）波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息的光纖傳感技術(shù)。根據(jù)Bragg光纖光柵反射波長(zhǎng)會(huì)隨溫度的變化而產(chǎn)生”波長(zhǎng)移位”的原理制成光纖光柵溫度傳感器。1978年．加拿大渥太華通信研究中心的K．O．Hilltal等人首先發(fā)現(xiàn)摻鍺石英光纖的光敏效應(yīng)．采用注入法制成世界上第一只光纖光柵(FBG)，1989年，Morev首次報(bào)導(dǎo)將其用于傳感。英國(guó)T．A1lsoD利用橢圓纖芯突變型光纖研制出溫度分辨率為O．9℃、曲率分辨率為0．05的長(zhǎng)周期光纖光柵曲率溫度

28、傳感器。意大利A．Iadicicco利用非均勻的稀疏布拉格光纖光柵fThFBGsl同時(shí)測(cè)量折射率和溫度．該傳感器的溫度分辨率為0．1℃．在折射率1．45、1．33附近的折射率分辨率分別為10-s、104。中科院上海光機(jī)所利用光纖光柵的金屬槽封裝技術(shù)將光纖光柵溫度傳感器的靈敏度提高到O．02℃：哈爾濱工業(yè)大學(xué)把光纖光柵粘貼在金屬半管上．使其分辨率達(dá)到0．04℃：黑龍江大學(xué)光纖技術(shù)研究所提出了一種光纖光柵fFBGl的Ti合金片封裝工藝，使溫

29、度靈敏度達(dá)到0．05℃。</p><p>　　6.1.3 光纖熒光溫度傳感器</p><p>　　光纖熒光溫度傳感器是目前研究比較活躍的新型溫度傳感器。熒光測(cè)溫的工作機(jī)理是建立在光致發(fā)光這一基本物理現(xiàn)象上。所謂光致發(fā)光是一種光發(fā)射現(xiàn)象．就是當(dāng)材料由于受紫外光、可見(jiàn)光或紅外光的光激發(fā)．所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。出射的熒光參數(shù)與溫度有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系．通過(guò)檢測(cè)其熒光強(qiáng)度或熒光壽命來(lái)得到所需的溫度的。強(qiáng)度型

30、熒光光纖傳感器受光纖的微彎曲、耦合、散射、背反射影響，造成強(qiáng)度擾動(dòng)，很難達(dá)到高精度：熒光壽命型傳感器可以避免上述缺點(diǎn)，因此是采用的主要模式．熒光壽命的測(cè)量是測(cè)溫系統(tǒng)的關(guān)鍵。美國(guó)密西西比州立大學(xué)用一種商用的環(huán)氧膠作為溫度指示f含有多環(huán)芳烴化合物：PAHs)。PAHs在用紫外光激發(fā)時(shí)發(fā)熒光．熒光的強(qiáng)度隨環(huán)氧膠周?chē)臏囟鹊纳叨鴾p?。搨鞲衅骺杀O(jiān)測(cè)20℃～100℃范圍內(nèi)的溫度。日本東洋大學(xué)根據(jù)Tb：Si0，和Tb：YAG的光致發(fā)光(PL)光譜

31、與溫度有關(guān)．將其制成光纖溫度傳感器。在300～1200K的溫度下．Tb：Si0，的PL峰值在540nm時(shí)的光強(qiáng)隨溫度的升高單調(diào)減?。甌b：YAG晶體的PL譜的形狀隨溫度變化。韓國(guó)漢城大學(xué)發(fā)現(xiàn)lOcm長(zhǎng)的Ybn、E一雙摻雜光纖在915nm處．兩熒光強(qiáng)度的比值在20℃～</p><p>　　6.1.4 干涉型光纖溫度傳感器</p><p>　　干涉型光纖溫度傳感器是一種相位調(diào)制型光纖傳感器。它

32、是利用溫度改變Mach—Zehnder干涉儀、Fabry—Perot干涉儀、Sagnac干涉儀等一些干涉儀的干涉條紋來(lái)外界測(cè)量溫度。英國(guó)的Samer K．Abi Kaed Bev用長(zhǎng)周期光纖光柵做成Mach—Zehnder干涉型光纖溫度傳感器．其溫度分辨率為O．7℃。燕山大學(xué)研制出基于白光干涉的Fabrv—Perot光纖溫度傳感器．其測(cè)溫范圍為一40℃～100℃．分辨率為0．01℃。哈爾濱工程大學(xué)研制出數(shù)字式Mach—Zehnder干涉

33、型光纖傳感器．其測(cè)溫范圍為35cC～80℃，壓力、溫度、位移分辨率分別為0．03kPa、0．07℃、2．5斗m。</p><p>　　干涉式光纖溫度傳感器工作示意圖</p><p>　　6.1.5 基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器</p><p>　　基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器利用硅纖芯和塑料包層折射率差會(huì)隨溫度變化引起光纖孔徑的變化、光纖的突然彎曲引起的局部孔徑的變

34、化的原理測(cè)量溫度。烏克蘭采用EBOC伍ngIish—Bickford Optics Com—pany)生產(chǎn)的多模塑料包層硅纖芯光纖HCN～H，已做出基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器．其測(cè)溫范圍-30℃～70℃．靈敏度達(dá)到O．5℃。法國(guó)研究出測(cè)溫范圍-20℃～60℃。靈敏度為0。2℃的基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器。國(guó)內(nèi)主要是對(duì)光纖的彎曲損耗與入射波長(zhǎng)、彎曲半徑、彎曲角度、彎曲長(zhǎng)度、光纖參量和溫度等的關(guān)系做了一些研究。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。&l

35、t;/p><p>　　6.2 幾種光纖溫度傳感器的特點(diǎn)及各自的研究方向</p><p>　　分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器和基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器分別具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和一定的不足，因此它們的研究方向不同。</p><p>　　6.2.1 分布式光纖溫傳感器</p><p>　　分布式光纖溫傳

36、感器具有其他溫度傳感器不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。它能夠連續(xù)測(cè)量光纖沿線(xiàn)所在處的溫度．測(cè)量距離在幾千米范圍．空間定位精度達(dá)到米的數(shù)量級(jí)。能夠進(jìn)行不問(wèn)斷的自動(dòng)測(cè)量．特別適用于需要大范圍多點(diǎn)測(cè)量的直用場(chǎng)合。目前對(duì)分布式光纖溫度傳感器研究的重點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)單根光纖上多個(gè)物理參數(shù)或化學(xué)參數(shù)的同時(shí)測(cè)量：提高信號(hào)接收和處理系統(tǒng)的檢測(cè)能力．提高系統(tǒng)的空間分辨率和測(cè)量不確定度：提高測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍．減少測(cè)量時(shí)間：基于二維或多維的分布式光纖溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)。</p&

37、gt;<p>　　6.2.2 光纖光柵溫度傳感器</p><p>　　光纖光柵溫度傳感器除了具有普通光纖溫度傳感器的許多優(yōu)點(diǎn)外．還有一些明顯優(yōu)于其它光纖溫度傳感器的方面。其中最重要的就是它的傳感信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制。這一傳感機(jī)制的好處在于：測(cè)量信號(hào)不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測(cè)器老化等因素的影響：避免了一般干涉型傳感器中相位測(cè)量的不清晰和對(duì)固有參考點(diǎn)的需要：能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中

38、串接多個(gè)布喇格光柵進(jìn)行分布式測(cè)量：很容易埋人材料中對(duì)其內(nèi)部的溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍地測(cè)量。盡管光纖光柵溫度傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)．但在應(yīng)用中還需考慮很多因素：波長(zhǎng)微小位移的檢測(cè)；寬光譜、高功率光源的獲得；光檢測(cè)器波長(zhǎng)分辨率的提高；交叉敏感的消除；光纖光柵的封裝；光纖光柵的可靠性；光纖光柵的壽命。</p><p>　　6.2.3 光纖熒光溫度傳感器</p><p>　　光纖熒光溫度傳感器于其它光

39、纖溫度傳感器相比有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：由于熒光壽命與溫度的關(guān)系從本質(zhì)上講是內(nèi)在的．與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)．這樣就可以制成自較準(zhǔn)的光纖溫度傳感器．而一般的基于光強(qiáng)度檢測(cè)的光纖溫度傳感器f如輻射型1則因?yàn)橄到y(tǒng)的光傳輸特性往往與傳輸光纖和光纖耦合器等相關(guān)而需經(jīng)常校準(zhǔn)：測(cè)量范圍廣，特別在高溫情況下多用光纖熒光溫度傳感器。目前國(guó)外的研究主要圍繞著熒光源的選擇．主要為下面幾個(gè)方面：藍(lán)寶石和紅寶石發(fā)光、稀土發(fā)光及半導(dǎo)體吸收。</p><p&g

40、t;　　6.2.4 干涉型光纖溫度傳感器</p><p>　　干涉型光纖溫度傳感器的溫度分辨率高：動(dòng)態(tài)響應(yīng)寬：結(jié)構(gòu)靈巧。研究干涉型光纖溫度傳感器的主要工作放在減小噪聲干擾和信號(hào)解調(diào)上。</p><p>　　6.2.5 基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器</p><p>　　基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、測(cè)量方便不需要解調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。但是它還存在著很

41、多的不足：測(cè)量精度低；由于它是強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器，光源的穩(wěn)定性對(duì)其影響很大；使用壽命短等缺點(diǎn)。在今后的研究中主要從光纖的選擇、測(cè)量條件的提高等方面開(kāi)展工作。</p><p>　　7 光纖溫度傳感器的應(yīng)用</p><p>　　光纖溫度傳感自問(wèn)世以來(lái)．主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)、建筑、化工、航空航天、醫(yī)療以至海洋開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域，并已取得了大量可靠的應(yīng)用實(shí)績(jī)。</p><p>　　

42、7.1.1 光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)有著重要的應(yīng)用</p><p>　　電力電纜的表面溫度及電纜密集區(qū)域的溫度監(jiān)測(cè)監(jiān)控；高壓配電裝置內(nèi)易發(fā)熱部位的監(jiān)測(cè)；發(fā)電廠(chǎng)、變電站的環(huán)境溫度檢測(cè)及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)；各種大、中型發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)的溫度分布測(cè)量、熱動(dòng)保護(hù)以及故障診斷；火力發(fā)電廠(chǎng)的加熱系統(tǒng)、蒸汽管道、輸油管</p><p>　　道的溫度和故障點(diǎn)檢測(cè)：地?zé)犭娬竞蛻?hù)內(nèi)封閉式變電站的設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)等

43、等。</p><p>　　7.1.2 光纖溫度傳感應(yīng)用于建筑、橋梁上</p><p>　　光纖光柵溫度傳感器很容易埋人材料中對(duì)其內(nèi)部的溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍地測(cè)量．因而被廣泛的應(yīng)用于建筑、橋梁上。美國(guó)、英國(guó)、日本、加拿大和德國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家早就開(kāi)展了橋梁安全監(jiān)測(cè)的研究．并在主要大橋上都安裝了橋梁安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。用來(lái)監(jiān)測(cè)橋梁的應(yīng)變、溫度、加速度、位移等關(guān)鍵安全指標(biāo)。1999年夏，美國(guó)新墨

44、西哥Las Cmces lO號(hào)洲際高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上安裝了120個(gè)光纖光柵溫度傳感器．創(chuàng)造了單座橋梁上使用該類(lèi)傳感器最多的記錄。</p><p>　　7.1.3 光纖溫度傳感在航空航天業(yè)的應(yīng)用</p><p>　　航空航天業(yè)是一個(gè)使用傳感器密集的地方．一架飛行器為了監(jiān)測(cè)壓力、溫度、振動(dòng)、燃料液位、起落架狀態(tài)、機(jī)翼和方向舵的位置等，所需要使用的傳感器超過(guò)100個(gè)．因此傳感器的尺寸和重

45、量變得非常重要。光纖傳感器從尺寸小和重量輕的優(yōu)點(diǎn)來(lái)講．幾乎沒(méi)有其他傳感器可以與之相比。</p><p>　　7.1.4 傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常有意義的</p><p>　　光纖光柵傳感器是現(xiàn)今能夠做到最小的傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過(guò)最小限度的侵害方式對(duì)人體組織功能進(jìn)行內(nèi)部測(cè)量。提供有關(guān)溫度、壓力和聲波場(chǎng)的精確局部信息。光纖光柵傳感器對(duì)人體組織的崗廠(chǎng)陰，等：光纖溫度傳感器的研究

46、和應(yīng)州損害非常小．足以避免對(duì)正常醫(yī)療過(guò)程的干擾。</p><p>　　7.1.5 光纖光柵傳感器永久井下測(cè)量的應(yīng)用</p><p>　　因其抗電磁干擾、耐高溫、長(zhǎng)期穩(wěn)定并且抗高輻射非常適合用于井下傳感．挪威的Optoplan正在開(kāi)發(fā)用于永久井下測(cè)量的光纖光柵溫度和壓力傳感器。</p><p>　　9 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和采用的研究方案</p><p

47、>　　9.1 光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)光纖彎曲損耗的理論分析，光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)由三大部分組成：溫度敏感頭、傳輸與信號(hào)處理部分，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。</p><p>　　9.1.1 溫度敏感頭</p><p>　　溫度敏感頭是溫度傳感器中最主要的部件，是將所測(cè)量溫度轉(zhuǎn)換成能夠直接測(cè)量的參數(shù)，在這里，是轉(zhuǎn)換成光纖的損耗大小，同等狀態(tài)

48、下，損耗大，探測(cè)器接收到的光功率小，反之，接收到功率就大。溫度傳感頭主要由多模光纖與金屬構(gòu)件組成，如圖3 所示，將光纖施加一定的張力后直接加載在多邊形金屬構(gòu)件上，固定好后將光纖兩端頭引出，在引出光纖的兩端制作連接器，外加光纖保護(hù)措施，傳感頭主要工序就已經(jīng)完成了。金屬零件隨溫度高低不同產(chǎn)生形變也不一樣，加載在零件上光纖彎曲損耗大小隨之改變金屬件受到溫度越高，形變?cè)酱?，在光源輸出光功率穩(wěn)定情況下，光纖彎曲損耗增加時(shí)，探測(cè)器接收到的光功率就會(huì)

49、減小，反之，接收到的光功率增大。當(dāng)傳感頭處的溫度場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)探測(cè)器將接收到的不同光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)一步處理、計(jì)算，輸出外界的溫度值大小。金屬零件在熱變形時(shí)，其變形量不僅與零件尺寸、組成該形體的材料線(xiàn)膨脹系數(shù)α、環(huán)境溫度t 有關(guān)，而且與形體結(jié)構(gòu)因子(取決于幾何參數(shù))有關(guān)，計(jì)算比較復(fù)雜，在這里采用傳統(tǒng)的公式模擬來(lái)計(jì)算：</p><p>　　Lt=L[1+α (t-20°C)]

50、 (5)</p><p>　　式中，Lt—溫度t 時(shí)的尺寸；L—20℃時(shí)的尺寸；α—線(xiàn)膨脹系數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式比較復(fù)雜，可選用平均線(xiàn)膨脹系數(shù)，經(jīng)過(guò)查表可知。為了提高傳感器的靈敏度，溫度敏感頭金屬材料需選用膨脹系數(shù)較大的，且膨脹系數(shù)在整個(gè)溫度測(cè)量區(qū)間要較穩(wěn)定，有較好重復(fù)性；溫度敏感頭的結(jié)構(gòu)形狀也是要考慮的另一個(gè)因素，不同的形狀，對(duì)靈敏度影響很大。要提高傳感頭對(duì)溫度的響應(yīng)時(shí)間，需要選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料，比

51、熱越小越好，在溫度突變時(shí)，能快速響應(yīng)。經(jīng)過(guò)課題組反復(fù)計(jì)算與試驗(yàn)，選用成本較低、加工容易、導(dǎo)熱較快，并且滿(mǎn)足使用范圍的金屬材料鋁。通過(guò)試驗(yàn)，傳感器在-40°C～＋80°C溫度范圍內(nèi)均可精確工作。</p><p>　　9.1.2 傳輸部分</p><p>　　光纖在這里不僅要作為轉(zhuǎn)換器件使用，同時(shí)也作為光信號(hào)傳輸載體，選用對(duì)彎曲損耗更敏感的多模光纖，一般地采用62.5/12

52、5μm 標(biāo)準(zhǔn)的多模光纖。由于加載光纖時(shí)要施加一定的張力控制，使得光纖纏繞在金屬零件上，光纖本身就比較容易損壞，敏感頭處光纖長(zhǎng)時(shí)間受到一定內(nèi)應(yīng)力作用，必須對(duì)光纖的涂層進(jìn)行加固耐磨處理，增加傳感器使用的可靠性。</p><p>　　9.1.3 信號(hào)處理部分</p><p>　　主要由發(fā)光管、探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)電路與數(shù)字電路處理兩部分組成，發(fā)光管、探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)已經(jīng)非常成熟。數(shù)字電路處理主要使用

53、價(jià)廉物美的單片機(jī)，CPU使用美國(guó)ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89C52 單片機(jī)，是一塊具有低電壓、高性能CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和256bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），全部采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS－51 指令系統(tǒng)及8052 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8 位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。A/D 轉(zhuǎn)換采用A

54、D 公司生產(chǎn)的12 位D574A 芯片，轉(zhuǎn)換時(shí)間位25μs，數(shù)字位數(shù)可設(shè)定為12 位，也可設(shè)為8 位，內(nèi)部集成有轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、參考電壓和三態(tài)輸出鎖存，可以與微機(jī)直接接口。為了方便在現(xiàn)場(chǎng)使用，光纖溫度傳感器擴(kuò)展了LCD 顯示接口，同時(shí)還擴(kuò)展了一個(gè)RS-232 通信口，用于同上位機(jī)進(jìn)行通信，將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，進(jìn)一步分析處理。整個(gè)監(jiān)控程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要的功能模塊有：系統(tǒng)初始化，A/D 采樣周期設(shè)定，數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)處理，串行通信，

55、中</p><p>　　9.2 試驗(yàn)檢驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理</p><p>　　已經(jīng)制作好的溫度敏感頭通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試。</p><p>　　第一步，在溫度敏感頭的一端光纖連接器上加載穩(wěn)定的短波長(zhǎng)的光源，另一端接與之相匹配的光功率計(jì)，將溫度敏感頭置入恒溫槽中；</p><p>　　第二步，設(shè)置恒溫槽溫度，觀(guān)察光功率計(jì)值的變化情況，要滿(mǎn)足在測(cè)量的整個(gè)工作區(qū)

56、間光功率都有變化；</p><p>　　第三步，定點(diǎn)測(cè)量，設(shè)定幾個(gè)或更多溫度點(diǎn)，記錄下，溫度與光功率對(duì)應(yīng)值，反復(fù)多次試驗(yàn)，觀(guān)察溫度敏感頭的重復(fù)性。光纖溫度傳感頭通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，將溫度與光功率相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)制成表格，具體見(jiàn)表1 所示，曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖4。</p><p>　　通過(guò)上述試驗(yàn)表明，光線(xiàn)溫度傳感器滿(mǎn)足使用要求，重復(fù)性非常好，加載發(fā)光管與探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路以及信號(hào)處理電路，整體調(diào)試傳感器，觀(guān)察溫度與

57、傳感器輸出的電壓值關(guān)系，重復(fù)操作上述試驗(yàn)第二、第三步，具體的溫度與電壓相轉(zhuǎn)換值見(jiàn)表2，曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖5。</p><p>　　通過(guò)觀(guān)察上述兩個(gè)曲線(xiàn)，形狀基本一致，重復(fù)性較好，表明傳感器整體性能滿(mǎn)足要求。將幾個(gè)特殊點(diǎn)電壓值送到單片機(jī)進(jìn)行處理，采用直線(xiàn)插值擬合或者最小二乘法曲線(xiàn)擬合，輸出溫度值。通過(guò)實(shí)測(cè)檢驗(yàn)，與標(biāo)準(zhǔn)溫度值誤差最大值為±1°C，基于金屬熱膨脹式的光纖溫度傳感器設(shè)計(jì)是成功的，傳感器整體測(cè)試

58、精度較高。</p><p><b>　　9.3 設(shè)計(jì)方案 </b></p><p>　　系統(tǒng)原理如圖1 所示,采用可見(jiàn)光將光束直接射入2根經(jīng)端面處理且并排放置的光纖中,同時(shí)為使2 根光纖輸出的光強(qiáng)近似相等且最大,采用2個(gè)不同焦距的透鏡來(lái)增強(qiáng)光的耦合程度。根據(jù)馬赫2曾德干涉原理,在出口處2 路光纖并排緊密放置,發(fā)生干涉。隨后由CCD 傳感器接收,并</p>

59、<p>　　在監(jiān)視器上觀(guān)測(cè)溫度變化時(shí)條紋的變化規(guī)律。一方面通過(guò)溫度標(biāo)定得到溫度與條紋數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 另一方面使用MATLAB 對(duì)采集到的干涉圖像進(jìn)行處理,通過(guò)程序自動(dòng)判別條紋數(shù)。從而得到溫度的變化值,實(shí)現(xiàn)光纖溫度傳感測(cè)量。</p><p>　　1 馬赫2澤德干涉型光纖溫度傳感器裝置</p><p>　　9.3.1 實(shí)現(xiàn)方法與現(xiàn)象</p><p>&l

60、t;b>　　(1) 平臺(tái)的搭建</b></p><p>　　為了得到較好的效果,實(shí)現(xiàn)中應(yīng)注意以下問(wèn)題:</p><p>　?、亳詈蠁?wèn)題:在光纖傳感系統(tǒng)中,各部件采用耦合效率較高的凸透鏡耦合,如圖2 所示。將激光器放在凸透鏡的焦點(diǎn)上,使其為平行光,然后再用另一個(gè)凸透鏡將平行光聚集到光纖端面上。整個(gè)耦合系統(tǒng)調(diào)整組裝比較容易,使用方便。</p><p>

61、　　圖2 光路耦合示意圖</p><p>　?、诠饴窚?zhǔn)直:搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)要注意使整個(gè)光路平行于平臺(tái),這就需要利用光屏十字法來(lái)校準(zhǔn)光路。首先確定激光束與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)平行;其次在光路上分別加上透鏡,調(diào)整光具座使透鏡前后的光斑落在十字的中心位置。并且依據(jù)透鏡焦距,使光纖的端面盡量位于透鏡的焦點(diǎn)上。如</p><p><b>　　圖3 所示。</b></p>&l

62、t;p>　　圖3 光路準(zhǔn)直示意圖</p><p><b>　　(2) 產(chǎn)生的現(xiàn)象</b></p><p>　　根據(jù)前面論述的方案,通過(guò)光路調(diào)整等一系列過(guò)程,得到干涉圖像如圖4 所示。通過(guò)使光纖的感溫部分受熱,可以在監(jiān)視器上觀(guān)察到條紋的變化。當(dāng)溫度升高時(shí),條紋幾近勻速地向右移動(dòng);當(dāng)溫度降低時(shí),條紋向相反的方向移動(dòng)。這樣的變化較為規(guī)律,但是對(duì)于溫度檢測(cè)電路來(lái)說(shuō),

63、要求溫度變化可測(cè),從而得到定量的關(guān)系;對(duì)于圖像檢測(cè)而言,條紋要盡量清晰,明暗對(duì)比強(qiáng)烈,才能在圖像處理時(shí)減少不必要的誤差。</p><p>　　圖4 　干涉條紋圖像</p><p>　　9.3.2 信號(hào)檢測(cè)及處理</p><p><b>　　1 溫度標(biāo)定</b></p><p>　　(1) 方案: 為使感溫部分的光纖均勻受

64、熱,選擇2個(gè)5cm的薄銅片將光纖夾入其中。使用電烙鐵為其加熱,使其溫度變化范圍加大,條紋移動(dòng)明顯。對(duì)于其他不感溫光纖,將其固定在絕熱平臺(tái)上,減小熱源的影響。</p><p>　　(2) 電路設(shè)計(jì):本文使用熱敏電阻標(biāo)定溫度與干涉條紋數(shù)之間關(guān)系,由于熱敏電阻隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律,即其非線(xiàn)性是十分嚴(yán)重的。當(dāng)進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí),應(yīng)考慮將其進(jìn)行線(xiàn)性化處理。測(cè)溫電路如圖5 所示。</p><p><

65、b>　　圖5 　測(cè)溫電路</b></p><p>　　本系統(tǒng)中所用的熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)。其特性可</p><p>　　以表示為:R(t) = R(t0)expB1T-1T0(1)式中:、R(t)、R(t0)分別為溫度T 和T0 時(shí)的電阻值。根據(jù)式(1)以及壓阻變換關(guān)系可以得到下面這個(gè)最終的根據(jù)電壓的變化從而測(cè)得溫度變化的表達(dá)式:1T=1BlnUtUt0+1T0(2)&l

66、t;/p><p><b>　　(3) 數(shù)據(jù)處理</b></p><p>　　在測(cè)量過(guò)程中,為找到合適的電壓測(cè)量點(diǎn),選擇時(shí)間為參考因素,以60 s 為一個(gè)階段,測(cè)量一次熱敏電阻兩端電壓,記錄電壓值,并根據(jù)公式得對(duì)應(yīng)的溫度,求得Δt。同時(shí)記錄在這些點(diǎn)間的條紋移動(dòng)數(shù)量,記為Δn。根據(jù)Δt 和Δn 可得到溫度與條紋之間的函數(shù)關(guān)系。</p><p><

67、b>　　(4) 結(jié)果分析</b></p><p>　　設(shè)條紋變化數(shù)為Δy ,溫度變化數(shù)為Δx ,則根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到這樣一個(gè)近似線(xiàn)性的函數(shù)關(guān)系式:Δy = 8.30Δx。即溫度升高1 ℃,條紋移動(dòng)8.30個(gè)。如果標(biāo)定起始溫度,根據(jù)這一關(guān)系,即可得到變化后的溫度值。</p><p>　　9.3.3 干涉條紋圖像采集與處理</p><p>　　采用M

68、VPCI 專(zhuān)業(yè)圖像采集卡采集干涉條紋圖像,采集程序如圖6 所示。并對(duì)圖像做如下處理(見(jiàn)圖7) : 對(duì)CCD 采集下來(lái)的圖像(見(jiàn)7 (a) ) 需調(diào)用imfilter進(jìn)行圖像濾波(濾波結(jié)果見(jiàn)圖7 ( b) ) 。并使用閾值操作將圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像(見(jiàn)圖7 (c) ) ,從而很好地將對(duì)象從背景中分離出來(lái)。通常溫度的判斷基于處理后的條紋圖像,因此需采用邊緣檢測(cè)來(lái)提取圖像的特征。在MATLAB 中使用專(zhuān)門(mén)的邊緣檢測(cè)edge 函數(shù),調(diào)用Sobel

69、 算子進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果如圖7 (d) 所示。</p><p><b>　　采集流程圖</b></p><p>　　圖7 　干涉條紋圖像采集與處理</p><p>　　9.3.4 條紋記數(shù)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　(1) 設(shè)計(jì)思路:根據(jù)邊緣檢測(cè)后條紋的圖像質(zhì)量,提取圖像質(zhì)量較好的橫坐標(biāo)為80 的一行元素的像素大小,對(duì)其進(jìn)

70、行掃描,得到像素大小為1 的位置,即條紋邊緣的位置;由于邊緣提取得到的條紋是原來(lái)?xiàng)l紋的輪廓,所以2個(gè)邊緣構(gòu)成一個(gè)亮或暗條紋。因此需要將提取出來(lái)的邊緣位置與原圖像進(jìn)行對(duì)比,從而對(duì)條紋精確定位;判定離標(biāo)定位置最近的亮條紋的分布情況,找到條紋移動(dòng)規(guī)律;計(jì)算條紋移動(dòng)周期,借鑒光學(xué)測(cè)量中的相位展開(kāi)原理,將圖像變換為近似線(xiàn)性的曲線(xiàn),從而得到條紋移動(dòng)過(guò)總的像素值,除以周期,即得條紋移動(dòng)個(gè)數(shù)。程序模塊流程圖如圖8 所示。</p><

71、p>　　(2) 結(jié)果分析：通過(guò)上面的程序計(jì)算,得到距離標(biāo)志位32 最近的亮條紋位置R 的變化情況(見(jiàn)圖9) ?？煽闯? R 的值是有規(guī)律地在變化,表明R 存在周期性。通過(guò)程序中得到的r (條紋邊緣像素) 計(jì)算周期,即T = 22 。根據(jù)相位展開(kāi)的相關(guān)原</p><p>　　圖8 　條紋記數(shù)程序流程圖</p><p>　　理,把像素值小于32 ,且與其前相鄰一個(gè)像素的差大于某一值時(shí),將

72、其加上一個(gè)周期,轉(zhuǎn)換為類(lèi)似線(xiàn)性的函數(shù),如圖10 所示。由圖(10) 可以得到移動(dòng)條紋總的像素值M = 820 ,除以展開(kāi)周期T = 22 , 即可以判別移動(dòng)條紋個(gè)數(shù)N =M/ T = 37 。由于確定的判別像素間距,程序在條紋小范圍左右徘徊的狀態(tài)時(shí)難以判別,會(huì)產(chǎn)生誤差。因此,程序計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與前面測(cè)溫時(shí)數(shù)出來(lái)的條紋個(gè)數(shù)41～46 (120s)近似，說(shuō)明此程序的處理較為正確。此時(shí),根據(jù)前面溫度檢測(cè)得到的結(jié)果,即條紋數(shù)與溫度變化的關(guān)系Δy

73、 = 8. 30Δx ,得到溫度變化值Δx =Δy/ 8. 30 = N/ 8. 30 = 4. 46 ℃,對(duì)照前面熱敏電阻計(jì)算的溫度變化值5. 27 ℃,結(jié)果較為一致。說(shuō)明此程序可以用來(lái)判定條紋個(gè)數(shù),對(duì)應(yīng)溫度變化與條紋數(shù)的關(guān)系,就可以得到溫度變化值,從而實(shí)現(xiàn)光纖溫度傳感測(cè)量。</p><p>　　圖9 　 距標(biāo)定位置最近的亮條紋分布圖</p><p>　　圖10 　展開(kāi)后的圖像</

74、p><p><b>　　10 結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　11 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）參考文獻(xiàn)</p><p>　　[1]張志鵬, W A. Gambling，著，光纖傳感器原理，中國(guó)計(jì)量出版社，1991</p><p>　　[2]王玉田. 光電子學(xué)與光纖傳感器技術(shù)[M] . 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2003.</

75、p><p>　　[5]廖延彪. 光纖光學(xué)[M] . 北京:清華大學(xué)出版社,2000.</p><p>　　[6]許忠保, 葉虎年, 葉　梅. 半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器[J ] . 半導(dǎo)體光電, 2004 , 25 (1) : 62264.</p><p>　　[7]趙仲剛, 杜柏林, 逢永秀, 等. 光纖通信與光纖傳感[M] . 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 19

76、93.</p><p>　　[8]張福學(xué)，傳感器應(yīng)用及其電路精選.電子工業(yè)出版社，1991</p><p>　　[9]強(qiáng)錫富，傳感器，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2001.5</p><p>　　[11]關(guān)榮峰，等，半導(dǎo)體光纖溫度傳感器特性研究，光電工程，V61240997</p><p>　　[13]王廷云，羅承沐，申?duì)T，半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器，清

77、華大學(xué)學(xué)</p><p>　　報(bào)(自然科學(xué)版)，2001</p><p>　　[14]黃玲.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)述 [J]</p><p>　　[15]傳感器世界.2005.11（10）</p><p>　　[16]UDD E , SEIM J . Fiber optic sensor for inf rast ructure applicati