可变灵敏度的光纤温度传感器

 摘要：在这篇文章里介绍了在两个U形双金属芯片转换装置的基础上形成的温度传感器。双接收纤维方式应用于转换设计中。光纤传感器是非常简单的，是非常可信赖的，并且可以以低价格大量生产。这种传感器最突出的特点就是它能方便的校准灵敏度，并且在传感器进行温度测量时光源随温度变化的影响是可以克服的。
 
 1 介绍
 
 在监督和控制高压电机的时候温度是最重要的物理变化之一。无论如何，由于电磁的噪声或短路的原因，像变压器、发电机、马达的内部操作器，运用热电偶的发电技术不是很便捷。由于这个原因，光纤传感器的应用是非常有前途的。
 在工业的应用中，传感器包括多模的技术应用和增强效应有特殊的适应性，因为它们很有可能便宜而且简单。因为这个原因，人们发明创造并且报道在增强调解的基础上的几种光纤传感器。然而，这种技术的模拟应用有一个主要的不利条件：由于高精确度和稳定性，它们需要一些涉及到避免错误引起的加剧变化的来源和传递纤维的损失。在这篇文章里介绍了一种能自动补偿强烈变化的光纤温度传感器。这种传感器能应用于需要不同精密度的各种地方，因为它的灵敏度是可调节的。调节原理和实验结果在细节上以列举事项来描述。
 
  图1 温度转换装置                   图2 光线温度传感器的原理

2 原理

 在光纤温度传感器中，用于温度的传递设备焊接在一起的两个U形双金属芯片，展示在图1中。调制原理展示在图2中，通过源纤维直接接到两个接收纤维的末端。热导体座和温度材料的接触点是用于测量的。当温度升高时，温度转换装置将会感受到热膨胀。结果，源纤维的位置是可以调节的并且光控制的强度可以通过两个接收纤维来改变。通过观察光信号可以测量温度。
 
 图3 两个U形温度转换装置的变化                   图4 位移X的分析
 
2.1 温度转换装置位移X的计算
    当温度从T0升到T1时，两个U形双金属芯片（见图1）将会像图3里的那样变化。
    两个U形双金属芯片中的任何一个都能看作成是两个简单部分的混合体，其中一个是半径为R0的半圆，另一个是长度为L0的直芯片。为了计算位移X，我们在图4中单独的分析了这两个简单的部分。
    总位移大约是：
                               （1）
    是由[4]确定的角度变化：
                                      （2）
    直线部分L0的位移X1，可以写成： 
                                      （3）
    在式中，B通常被叫做比率，等于,是双金属的厚度。所以，我们得出: 
                       （4）

 图5 纤维坐标系统的分析                           图6 关于转换装置的温度位移函数
 
2.2 光亮度调制函数的计算
    根据图2中的纤维系统，确定了如图5中的坐标。
    由于多模的光纤，给出了（5）中的有源纤维末端形成的输出光领域的光通量分配函数：
                             （5）
其中，I0是连接纤维的光源的强度，K0表示源纤维的损失，表示在点(r,z)的光通量的密度，R（z）可解释为：
                             （6）
 在式中，a0是纤维核心的半径，是最大入射角，k是一个依靠光源的耦合条件恒量。光学领域的强度时，在接收纤维末端获得的强度是：
              （7）                                                              
其中，K表示接收纤维的损失，exp()表示由（6）引起的接收纤维的附加损失，并且S是接收纤维的核心面积。
    纤维中心的强度大概用来表示纤维末端的平均强度。所以，（7）中给出的强度可变为：
                      （8）
然而，从源纤维到接收纤维的连接强度，I1和I2可表示为：
                  （9）
           （10）
其中a为半径比。
 所以强度比为：
                   （11）
    如果两个接收纤维是同一型号而且是来自相同的光纤电缆，那么我们就可以认为这两个接收纤维是完全相同的。于是，对于小位移X，I2与I1之比的对数可推算为：
                              （12）
    这就意味着I2与I1之比的对数与光源I1的强度与纤维中的损失和由纤维弯曲引起的损失是不相关的。

3 实验结果

3.1 温度转换设备的典型温度位移
    图6表示的是当温度从C升高到C时，通过测量位移X获得的温度转换设备的曲线X(T)。理论结果是由等式（4）计算得出的，其中实验参数有L0=4mm,R0=2mm, =0.2mm, ,T0=C.
 X=A(T-T0)                                                   （13）
其中温度转换参数。理论曲线和实验曲线用铅笔画在了同一个图表上。
3.2 传感器的光源强度补偿的特点。
    温度传感器（见图2）调制函数可以由等式13代换等式12。
                       （14）
等式14展示了不同温度T到T0是与I2与I1之比的对数成比例的。如果选择了温度T0，那么就可以通过观察光信号I2与I1测量出温度T。
    在我们的实验中，传感器用了一个白色光源和三个大直径多模的光纤。提到的温度选择在了。表1中给出了对数据的影响，并且这些数据可以计算出传感器的调制函数。
                                       （15）
其中，S是传感器的灵敏度。

表1    实验数据
内 容 符 号 价 格
 纤维半径（um） a 250
 纤维核心半径(um)  200
 最大入射角(rad)  0.34
 耦合条件参数 k 0.092
 温度转换参数 A 0.0081
 纤维末端间距(mm) z 0.5
 灵敏度1/(℃) S 0.189

  图7  改变光源强度的影响                     图8  改变温度传感器灵敏度的影响
 为了调查研究传感器，我们用一个可调节温度的热系统来测试传感器。图7展示了光源强度的两个价值的传感器的输出。首先，光源强度是287um，其次是128um。它可看成是尽管光源强度的变化大于50％，但输出仍基本上稳定。
3.3 可调节灵敏度
    上述传感器的灵敏度是由等式16确定的，一旦选择了纤维和光源，传感器的灵敏度可以通过调节参数z很容易地改变。在图8中，输出结果展示了两个不同的有区别的间距z。从实验中可以看出，当z=0.5mm时，灵敏度测得是，而当z=1.0mm时，灵敏度，根据等式16和表1中的数据可以计算出灵敏度。由z=0.5mm和z=1.0mm，我们可以得出和，它们与实验中得出的数据是一致的。

4 结论

    已经证明了利用两个U形双金属芯片作为转换装置的温度传感器的光纤方法，一旦传感器可以方便的调整，它就可以用在需要不同精确度的各种地方。根据理论分析和实验结果，温度传感器两个接收纤维的输出比明显降低了由电源不稳定或光源装置的老化引起的光源影响的效果。如果两个接收纤维是完全相同的，与纤维弯曲有关的大多数损失也将会降低。
    因为灵敏度，温度设计点和这种传感器的最佳温度范围决定于等式4和等式16给出的参数，并且它们可以通过改变两个U形双金属芯片的面积、材料、厚度和其它的参数很容易地改变。因此，传感器广泛的应用在需要不同灵敏度和不同温度范围的工业控制和测量中。

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