【基于光纖光柵原理的溫度傳感器的設(shè)計(jì)（論文）7800字】

基于光纖光柵原理的溫度傳感器的設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u13003基于光纖光柵原理的溫度傳感器的設(shè)計(jì) 1297761緒論 2167631.1引言 2140571.2國(guó)內(nèi)外光纖光柵溫度傳感器的研究現(xiàn)狀 2181811.3光纖光柵溫度傳感器在各個(gè)行業(yè)的發(fā)展 349682光纖光柵傳感器的原理 4121712.1光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)及其測(cè)量原理 4125302.2光纖光柵溫度傳感原理 7241243光纖光柵溫度傳感器的設(shè)計(jì)與性能分析 8268943.1光纖光柵溫度傳感器的封裝加工 8232873.2解調(diào)系統(tǒng)及其關(guān)鍵部件介紹 10119783.3實(shí)驗(yàn)分析 11216533.4靈敏度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算 1526010結(jié)論 1514542參考文獻(xiàn) 16摘要此次設(shè)計(jì)所選取核心部件的是布拉格光柵，用它所設(shè)計(jì)的溫度傳感器和傳統(tǒng)的熱電阻式傳感器擁有極大的優(yōu)點(diǎn)，比如抗干擾、響應(yīng)快以及能在較為惡劣的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量且具有很高的測(cè)量準(zhǔn)度，本論文描述了本傳感器的發(fā)展歷史還有它的未來(lái)發(fā)展方向，該溫度傳感器的結(jié)構(gòu)，對(duì)于此次設(shè)計(jì)的溫度傳感器的靈敏度和壓力對(duì)其有什么影響和誤差分析的實(shí)驗(yàn)以及所有的數(shù)據(jù)計(jì)算和最終結(jié)論。關(guān)鍵詞：光纖布拉格光柵;溫度傳感器;靈敏度；誤差分析1緒論引言本溫度傳感器具有的優(yōu)勢(shì)是以往的溫度傳感器所無(wú)法比擬的，關(guān)于他的應(yīng)用，最關(guān)鍵的在于如何準(zhǔn)確的從傳感器返回的光譜信息中解調(diào)出波長(zhǎng)的偏移量，以及高溫環(huán)境下傳感器是否耐用。本文主要描述了他的發(fā)展前景、設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)的組成和利用對(duì)我所設(shè)計(jì)的光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行各種各樣的實(shí)驗(yàn)。隨著社會(huì)的進(jìn)步，光纖光柵溫度傳感器應(yīng)用十分廣泛。它主要是充分利用引進(jìn)了無(wú)金屬化的整體封裝焊接技術(shù),具有熱傳導(dǎo)性的特性和金屬材料的高溫低強(qiáng)度彈性特征,并且使它具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、布置方便、抵抗各種電磁干擾、精度高、耐久性好、既同時(shí)可以在連接設(shè)備內(nèi)部可以進(jìn)行直接粘貼,又同時(shí)可以在其他連接部件上可以進(jìn)行直接布置。光纖光柵溫度傳感器光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比具有很多優(yōu)點(diǎn)：1、光波基本不產(chǎn)生電磁干涉，也不害怕電磁干涉；2、它易被各類光檢測(cè)類元件所接受,更加方便地實(shí)現(xiàn)光電或電光信號(hào)的變換；3、它容易和不斷發(fā)展的電子裝置甚至于計(jì)算機(jī)相匹配容易被各類光檢測(cè)器件所接收,可以方便地實(shí)現(xiàn)光電或者是電光信號(hào)的轉(zhuǎn)換；4、光纖的工作頻率寬,動(dòng)態(tài)運(yùn)行范圍廣,是一種節(jié)省成本、功耗低的傳輸線；5、光纖本身沒(méi)有帶電,體積小而且質(zhì)量輕,容易彎折,抗輻射能力好,特別是適合在易燃、容易爆炸、空間內(nèi)會(huì)遭到嚴(yán)格約束以及較強(qiáng)的電磁干擾等惡劣條件下的使用。1.2國(guó)內(nèi)外光纖光柵溫度傳感器的研究現(xiàn)狀“在1989年,美國(guó)的acmelts等科研人員率先發(fā)現(xiàn)了一種紫外光側(cè)寫入數(shù)據(jù)來(lái)寫入光柵的技術(shù)，這項(xiàng)創(chuàng)造是利用兩束中間有光纖干涉的藍(lán)色的紫外光線從一束紫外光纖的一側(cè)輸入數(shù)據(jù)來(lái)寫入光柵紫外側(cè)雙向讀取式光纖寫入光柵技術(shù)在1990年我國(guó)開始出現(xiàn)后,隨著來(lái)自全球廣大范圍內(nèi)的各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)紫外光纖復(fù)合光柵和它們的技術(shù)應(yīng)用進(jìn)一步深入的技術(shù)研究和應(yīng)用發(fā)展,光纖光柵的開發(fā)生產(chǎn)與設(shè)計(jì)制作和應(yīng)用光纖光敏化處理技術(shù)也因此得到了不停的發(fā)展進(jìn)步”。在1993年，K.O.hill等人提出了一項(xiàng)技術(shù)，也就是位相衍射掩模的光纖寫入技術(shù)，它們利用紫外線激光衍射途經(jīng)位相激光掩模的時(shí)候，想用衍射后±1級(jí)的光纖衍射的激光所構(gòu)建的經(jīng)過(guò)干涉光和條紋向量的光纖衍射曝光的時(shí)候?qū)懭耄瓦@樣得到了當(dāng)時(shí)最新的光纖衍射光柵。也在這一年他和p.j.lemaier突破性的發(fā)現(xiàn)了一種方便快捷的提高載氫光纖靈敏程度以及能精準(zhǔn)檢測(cè)的且十分有效果的技術(shù)手段。Oi等人在2001年，首先把飛秒激光用于光纖布拉格光柵的制作，飛秒激光器能夠在很短的脈沖時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的能量光，通過(guò)飛秒激光聚焦在纖芯上來(lái)形成折射率極大變化的光纖光柵。很多研究人員在2003年就發(fā)現(xiàn)到用飛秒激光制作的光纖光柵具有優(yōu)秀的高溫特性，能在300攝氏度的高溫環(huán)境中穩(wěn)定工作。一些方法制作的光纖光柵都有良好的耐溫性。裸露的情況下，能穩(wěn)定的在500攝氏度下工作，隨著溫度的升高柵區(qū)也會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)消失。在哈工大研究的Song等人在2009年使用高功率的飛秒脈沖激光器，用相位掩模技術(shù)讓它在多模摻錘光纖內(nèi)部刻出布拉格光珊。在電子科技大學(xué)研究的馬耀遠(yuǎn)在2013年研究出了一種全新的無(wú)膠化封裝方式能夠讓光纖光柵在300攝氏度的環(huán)境中穩(wěn)定工作。在2017年，吉林大學(xué)、西安交通大學(xué)、深圳大學(xué)都在飛秒激光器制作布拉格光柵有一系列的研究。在2018年的時(shí)候，在西安交通大學(xué)研究的曹后俊等研究人員用激光掩模技術(shù)原理的基礎(chǔ)下，用飛秒激光刻制的光纖布拉格光柵能夠在700攝氏度的環(huán)境下正常穩(wěn)定的工作。1.3光纖光柵溫度傳感器在各個(gè)行業(yè)的發(fā)展光纖溫度傳感器的主要產(chǎn)品種類很多,除了以上我們大家介紹的主要是基于熒光和微波分布式的微型光纖溫度傳感器外,還有基于微型光纖的圓形光柵溫度傳感器、干涉型的圓形光纖溫度傳感器以及基于彎曲的低損耗的微型光纖溫度傳感器等等,由于它們的產(chǎn)品種類很多,應(yīng)用領(lǐng)域范圍也很廣泛,例如,應(yīng)用于工業(yè)電力系統(tǒng)、建筑業(yè)、航空和民用運(yùn)輸船舶以及用于海洋工程等的研究領(lǐng)域等等。(1)在電力系統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展光纖溫度傳感器已經(jīng)在電力系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中獲得了很大的發(fā)展,由于電力系統(tǒng)的溫度、高壓供熱設(shè)備的內(nèi)部溫度、發(fā)電工廠環(huán)境的溫度等,這些都需要我們使用光纖溫度傳感器來(lái)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和測(cè)量,因此就極大地促進(jìn)了光纖溫度傳感器的不斷完善和發(fā)展。特別是分布式光纖溫度傳感器已經(jīng)得到了很大的改善,經(jīng)過(guò)在我國(guó)電力系統(tǒng)工程行業(yè)的廣泛應(yīng)用,從而已經(jīng)使它們所接受的信號(hào)和數(shù)據(jù)處理以及檢測(cè)系統(tǒng)的性能都有所提升。(2)在建筑業(yè)的發(fā)展光纖光柵溫度傳感器因?yàn)樗旧砭哂休^高的溫度分辨率及其在測(cè)量范圍區(qū)域適應(yīng)范圍寬大等特點(diǎn)優(yōu)勢(shì),被廣泛地用于應(yīng)用在各種建筑行業(yè)的空氣溫度計(jì)和熱測(cè)量中。西方許多發(fā)達(dá)國(guó)家都已經(jīng)普遍應(yīng)用實(shí)施了此項(xiàng)溫度檢測(cè)分析系統(tǒng),進(jìn)行對(duì)大型建筑物橋梁溫度、位移等各種安全技術(shù)性能指標(biāo)的溫度檢測(cè)分析工作,例如,美國(guó)墨西哥就是這樣利用一種光柵式溫度傳感器,對(duì)美國(guó)高速公路上各種類型橋梁位移溫度的數(shù)值指標(biāo)進(jìn)行了溫度檢測(cè)。通過(guò)廣泛的研究使用,光柵溫度傳感器所需要面臨的一些復(fù)雜問(wèn)題,如:光纖交叉敏感的溫度信號(hào)干擾消除、光纖的更換光柵溫度封裝等均已經(jīng)基本得到了有效解決,因而這個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)也已經(jīng)得到了很大改進(jìn)。(3)航空航天業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展因?yàn)槲覈?guó)航空航天行業(yè)中所用的傳感器頻率相對(duì)來(lái)說(shuō)較高,包括針對(duì)飛行器在壓力、溫度、燃油等各個(gè)方面的檢測(cè),都是需要通過(guò)光纖溫度傳感器來(lái)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),并且所采用到的傳感器可以有幾百個(gè),所以這些傳感器的尺寸和重量都要求非常嚴(yán)格。2光纖光柵傳感器的原理2.1光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)及其測(cè)量原理光纖布拉格光柵應(yīng)用十分廣泛，和濾波器具有相同的工作原理，當(dāng)寬光柵范圍的光入射到柵區(qū)的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)窄帶反射譜，具體結(jié)構(gòu)和光譜傳輸特性如圖2-1所示圖2-SEQ圖2-\*ARABIC1-1光纖布拉格光柵“布拉格光纖光柵具有優(yōu)越的選頻和色散特性,可以來(lái)構(gòu)成WDM系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)中很多關(guān)鍵元器件，而且通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)光纖光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠獲得不同應(yīng)用要求的基于光纖光柵原理的功能組件，如光纖放大器、光纖反射器、波分復(fù)用器等，并且光纖型結(jié)構(gòu)可降低這種類型器件的插入損耗。有文章報(bào)道光纖光柵在光交叉互連(OXC)中的量關(guān)鍵元器件，并且通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)光纖光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)，可獲不同應(yīng)用要求的基于光應(yīng)用;光交叉互連是波分復(fù)用全光網(wǎng)的關(guān)鍵器件,通常由濾波器和空間光開關(guān)陣列組成，新型的光交叉互連采用光纖光柵作為上下路濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)通道的信息交換”REF_Ref15616\w\h[2]。針對(duì)光纖光柵傳輸?shù)难芯糠椒ㄓ腥N，分別是耦合模理論、傳輸矩陣法、傅里葉變換法。相對(duì)于周期均勻的光纖布拉格光柵，可以用耦合模理論解釋傳播規(guī)律特點(diǎn)，或者是用數(shù)學(xué)式表達(dá)，所以本小節(jié)講解的是這個(gè)理論。上一章提及的光纖光柵的形成其實(shí)是在纖芯內(nèi)部出現(xiàn)折射率存的變化，這種變化能夠符合周期表達(dá)式，故有效者折射率能用下式表示為:(2.1)上述公式中，代表光纖的有效折射率也能夠稱作模式折射率，其帶入的數(shù)值略微小于纖芯折射率，所代表的是平均折射率的變化，也能夠稱作調(diào)制深度，s是調(diào)制后纖芯折射率可見(jiàn)度，代表的是光柵的周期，是光柵周期的相位移。通過(guò)推導(dǎo)耦合模方程可以用下式表示：（2.2）表示第m階模隨著z和-z方向的慢變化振幅。以及可以表示光纖纖芯的導(dǎo)波模，還能夠表達(dá)輻射模式或者包層模式，上述模式在理想條件下都不可以進(jìn)行能量互換，所以發(fā)生介電微擾的時(shí)候纖芯折射率會(huì)耦合，所以能夠用下列式子表示：（2.3）（2.4）其中代表第m和q階模之間的橫向模耦合系數(shù)，能夠用下式表示：（2.5）上述公式中是材料的介電常數(shù)擾動(dòng)，纖芯的有效折射率變化遠(yuǎn)小于n的時(shí)候，介電擾動(dòng)可以用表示，縱向耦合系數(shù)也可以用上述式子表示。定義兩個(gè)新參數(shù)：(2.6)(2.7)(2.6)是自耦合系數(shù)，第二個(gè)表示不同模式之間的轉(zhuǎn)換，也就是交流耦合系數(shù)。所以總耦合系數(shù)可以表示為：（2.8）但是相布拉格光柵是一種反射型的光柵，傳播方式為正反模式耦合，所以2.3，2.4能夠進(jìn)行化簡(jiǎn)即：（2.9）（2.10）上式中是自耦合系數(shù)（2.11）模式之間的失諧量為（2.12）當(dāng)光纖布拉格光柵的諧振波長(zhǎng)。單纖光柵的自耦合和交叉耦合系數(shù)能夠化簡(jiǎn)成下列式子：（2.13）（2.14）上列所提及的折射率均勻調(diào)制變化的光柵，是恒定的，而且，所以是一個(gè)恒定的數(shù)值，所以在對(duì)已知柵區(qū)長(zhǎng)度L和交叉耦合系數(shù)的FBG，能夠得到能量反射系數(shù)和歸一化波長(zhǎng)得到他的最大反射率和共振波長(zhǎng)：（2.15）（2.16）2.2光纖光柵溫度傳感原理光纖光柵傳感器反射回的光中心波長(zhǎng)為：（2.17）代表光纖的有效折射率，代表的是光柵的周期，光射入傳感器的時(shí)候，其中一部分被傳感器反射，反射光的中心波長(zhǎng)用表示。當(dāng)所處的環(huán)境溫度發(fā)生改變的時(shí)候，因?yàn)楣饫w有自身延展和熱膨脹性，和也發(fā)生改變，光纖中心波長(zhǎng)就出現(xiàn)了線性改變，溫度變換影響光纖光柵返回光的中心波長(zhǎng)變化，經(jīng)過(guò)測(cè)量和解調(diào)就得到波長(zhǎng)變化的大小就可以得到溫度。把光纖光柵傳輸原理當(dāng)做基礎(chǔ)原理的條件下，根據(jù)光纖光柵周期的長(zhǎng)度和有效折射率可以得到中心波長(zhǎng)，但是引起周期和折射率變化的原因有很多，其中最重要的是：材料的熱漲冷縮和熱光效應(yīng)。隨著溫度的升高，許多材料都會(huì)發(fā)生膨脹效應(yīng)，他會(huì)引起柵距增加來(lái)讓光柵周期發(fā)生變化。隨著溫度的變化介質(zhì)的光傳輸特性也會(huì)變化從而使折射率發(fā)生改變，根據(jù)式能夠獲得光纖布拉格光柵溫度傳感的數(shù)學(xué)模型。熱光效應(yīng)又一個(gè)熱光系數(shù)能夠表示由于熱光效應(yīng)所導(dǎo)致的變化量級(jí)，能用下式表示（2.18）因?yàn)楣饫w的結(jié)構(gòu)特性，包層和纖芯的材料雜質(zhì)不相同，包層折射率稍大于纖芯，所以隨著溫度的升高產(chǎn)生的熱光效應(yīng)也會(huì)不相同。因?yàn)閱文９饫w的纖芯直徑數(shù)值特別小，所以纖芯內(nèi)部只存在一種傳播方式，包層所導(dǎo)致的熱光效應(yīng)對(duì)纖芯內(nèi)部幾乎沒(méi)有影響，有效折射率以及纖芯折射率幾乎相等，故熱光系數(shù)可以用下式代替：（2.19）熱脹冷縮在每種材料中都會(huì)存在，隨著環(huán)境的溫度發(fā)生變化的時(shí)候，會(huì)引起材料熱脹冷縮從而使形狀發(fā)生變化，也就能改變光柵周期，熱漲冷縮的程度由材料的熱膨脹系數(shù)決定，熱膨脹系數(shù)可以用下式表示：（2.20）環(huán)境的溫度發(fā)生變化的時(shí)候設(shè)此時(shí)的溫度變化為，那么式可以用下式表示：（2.21）上述式子的代表由于材料熱膨脹所導(dǎo)致的有效折射率的變化，代表由于熱膨脹所導(dǎo)致的纖芯直徑發(fā)生改變引起的波導(dǎo)效應(yīng)；將熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)導(dǎo)入2.21整理得到：（2.22）假設(shè)處于理想條件下，靈敏度只與材料本身有關(guān)，所以溫度靈敏度系數(shù)用下式表示：（2.23）3光纖光柵溫度傳感器的設(shè)計(jì)與性能分析3.1光纖光柵溫度傳感器的封裝加工光纖光柵溫度傳感器封裝十分重要，我采用了金屬片封裝是將光纖光柵事先穿進(jìn)預(yù)先準(zhǔn)備好的金屬片中，再用環(huán)氧樹脂進(jìn)行固化，環(huán)氧樹脂固化之后就得到了應(yīng)力補(bǔ)償型封裝，也就是所謂的FBG傳感器將該封裝兩端的光纖裝上能連接光譜儀和高強(qiáng)度光源的接口，將其兩端分別連接光譜儀和高強(qiáng)度激光源，就得到了一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)裝置。按如下工序?qū)饫w光柵進(jìn)行粘貼：

工序1：將加工回來(lái)的雙曲線型鉸鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行酒精清洗后并打標(biāo)志線。

工序2：將處理好后的溫度套管結(jié)構(gòu)固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，將光纖光柵一端穿過(guò)套管結(jié)構(gòu)與標(biāo)志線對(duì)齊，光纖光柵的一端固定，另一端加砝碼張緊。

工序3：調(diào)整固定端，使穿過(guò)的光纖保持在同一水平線上并緊貼在套管結(jié)構(gòu)上，先對(duì)張緊端涂光敏膠，并用紫外燈照射固化，再用同樣的方法粘貼另一端。

工序4：用光譜儀對(duì)固化好后的套管結(jié)構(gòu)上的光纖光柵中心波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試。

工序5：將加保護(hù)管的傳感光纖光柵在套管結(jié)構(gòu)自由端引出光纖進(jìn)行切割、熔接，并用熱縮管保護(hù)，還可以對(duì)光纖再進(jìn)行一層鎧裝保護(hù)。在整個(gè)纖芯內(nèi)部所反射形成的一個(gè)三維空間中的相位為周期性地均勻分布的化學(xué)光柵,其主要反射作用的本身是它實(shí)質(zhì)上就是在整個(gè)纖芯內(nèi)部所反射形成的一個(gè)狹窄帶(又稱透射或光學(xué)反映)的光學(xué)濾波器或者是光學(xué)反射鏡。使用該生產(chǎn)技術(shù)的主要特點(diǎn),可以快速制備出并生產(chǎn)設(shè)計(jì)出許多特殊和高性能的新型光纖通信元器件。這些光電元件分別具備了激光反射率高帶寬響應(yīng)范圍大、附加技術(shù)費(fèi)用低和損耗小、體積小,易于與各類光纖電纜進(jìn)行相互耦合,可以與其他各類光電元器件完全相互兼容組合成融為一體,不受任何自然環(huán)境水和灰塵的污染影響等多項(xiàng)一系列良好的應(yīng)用性能。目前的技術(shù)應(yīng)用主要廣泛集中于應(yīng)用光纖射頻通訊技術(shù)領(lǐng)域(應(yīng)用光纖射頻激光器、光纖射頻濾波器)以及應(yīng)用光纖位移傳感器(光纖位移、速度、加快的頻率、溫度)。便得到了FBG溫度傳感器如下圖3-1所示圖3-1光纖布拉格光柵傳感器它也是本次設(shè)計(jì)的主體，作用是感知溫度的變化，讓傳輸在光纖中的光信號(hào)發(fā)生波長(zhǎng)的改變來(lái)反映溫度的變化。3.2解調(diào)系統(tǒng)及其關(guān)鍵部件介紹寬帶光源實(shí)物如下圖3-2所示圖3-2寬帶光源ASE寬帶光源。ASE寬帶光源基于泵浦光源在摻餌光纖里的產(chǎn)生自激輻射光的特點(diǎn),再加上光譜平坦濾波器,產(chǎn)生C+LBAND的寬帶光譜,在光器件生產(chǎn)測(cè)試及光纖光珊傳感系統(tǒng)里有廣泛的應(yīng)用。如圖所示，該光源的波段為C+L波段、波長(zhǎng)范圍為1527~1605nm、輸出功率為10-100W、光譜寬度為75nm、光譜平坦度小于7dB、輸出隔離大于40dB。（2）光譜儀本實(shí)驗(yàn)所采用的光譜儀是一種基于衍射光柵技術(shù)的高速高性能光譜分析儀，光譜儀能將多波段的光進(jìn)行解調(diào)并顯示信號(hào)變化情況，由于體積過(guò)大常用于實(shí)驗(yàn)和科研場(chǎng)所。所采用的光譜儀為日本公司YOKOGAWA生產(chǎn)的型號(hào)為AQ-6370D光譜儀；如圖3-3所示：.圖3-3光譜儀實(shí)驗(yàn)所用的光譜儀參數(shù)如下：測(cè)量波長(zhǎng)范圍在600~1700nm；波長(zhǎng)精度為±0.01nm；波長(zhǎng)最大分辨率為0.02nm；最大的動(dòng)態(tài)范圍為78dB（典型值）；寬功率量程：+20~-90dBm；快速測(cè)量0.2s（100nm跨度）。解調(diào)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下圖3-4所示圖3-4解調(diào)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)3.3實(shí)驗(yàn)分析3.3.1光纖光柵溫度傳感器靈敏度的測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程第一步對(duì)組裝好的實(shí)驗(yàn)裝置其進(jìn)行調(diào)試，得到實(shí)驗(yàn)室室溫下的波長(zhǎng)如下圖3-5所示(由于該光纖光柵溫度傳感器的量程較小，所以光譜儀上的波谷是朝下的，實(shí)驗(yàn)室室溫較大，該光譜儀的在室溫22攝氏度的條件下，波谷的波長(zhǎng)應(yīng)為1549.88nm）圖3-5室溫下光譜儀上移動(dòng)波長(zhǎng)的讀數(shù)為了測(cè)試設(shè)計(jì)的光纖光柵溫度傳感器是否能夠精準(zhǔn)的測(cè)量溫度，但是由于設(shè)計(jì)的光纖光柵溫度傳感器量程較小，所以只能取30攝氏度、29.5攝氏度、29攝氏度、28.5攝氏度、28攝氏度五個(gè)溫度來(lái)進(jìn)行測(cè)量。調(diào)試光譜儀使其波谷的波長(zhǎng)穩(wěn)定之后，取紙杯倒一杯熱水，用探針溫度計(jì)來(lái)測(cè)量其溫度，并使其自然冷卻到30攝氏度后，將應(yīng)變片緩慢的放入紙杯的熱水當(dāng)中，觀察光譜儀顯示屏上波谷的波長(zhǎng)，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下圖3-6所示圖3-630攝氏度的環(huán)境下光譜儀的移動(dòng)波長(zhǎng)讀數(shù)再分別使水溫自然冷卻到29.5攝氏度、29攝氏度、28.5攝氏度、28攝氏度后分別觀察光譜儀上移動(dòng)波長(zhǎng)的改變并采集數(shù)據(jù)，分別用表3-1和曲線3-1表示：表1溫度和移動(dòng)波長(zhǎng)的關(guān)系溫度3029.52928.528移動(dòng)波長(zhǎng)1550.18801550.17201550.16401550.14001550.1280折線圖SEQ圖\*ARABIC1溫度和移動(dòng)波長(zhǎng)的關(guān)系注：此處縱坐標(biāo)的單位為nm，橫坐標(biāo)單位為℃由上圖可得線性回歸方程y=0.0304x+1549.33.3.2測(cè)試光纖光柵溫度傳感器壓力對(duì)其有無(wú)影響實(shí)驗(yàn)用具:除了上述的用具以外還需要用到千分尺也就是螺旋測(cè)微計(jì)，因?yàn)楣饫w光柵溫度傳感器的應(yīng)變片較小，故使用千分尺對(duì)其施加壓力.實(shí)驗(yàn)過(guò)程：由實(shí)驗(yàn)一可以得到實(shí)驗(yàn)室常溫下的光譜儀的示數(shù)，再用螺旋測(cè)微器對(duì)光纖光柵溫度傳感器的應(yīng)變片施加一定的壓力，觀察光譜儀上波谷的變化如下圖3-7所示圖3-2-2對(duì)金屬應(yīng)變片進(jìn)行壓力后光譜儀的顯示數(shù)據(jù)分析：在施加壓力之前和施加壓力之后移動(dòng)波長(zhǎng)沒(méi)有發(fā)生變化，所以就可以得出壓力對(duì)光纖光柵溫度傳感器的測(cè)量沒(méi)有影響3.3.3環(huán)境溫度變化誤差分析實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原因：由于實(shí)驗(yàn)室室溫可能隨時(shí)發(fā)生波動(dòng)，可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，所以要進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：在8點(diǎn)到18點(diǎn)的時(shí)間段每半個(gè)小時(shí)對(duì)光譜儀上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)驗(yàn)得到的線性回歸方程計(jì)算得列出如下表3-1表3-1每個(gè)時(shí)間段的移動(dòng)波長(zhǎng)情況時(shí)間移動(dòng)波長(zhǎng)溫度實(shí)際波長(zhǎng)誤差8點(diǎn)1550.0760191549.87760.012%8點(diǎn)半1550.0840211549.93840.090%9點(diǎn)1550.0900221549.96880.007%9點(diǎn)半1550.0900221549.96880.007%10點(diǎn)1550.0960231549.99920.001%10點(diǎn)半1550.1140261550.09040.001%11點(diǎn)1550.1280281550.15120.006%11點(diǎn)半1550.1280281550.15120.006%12點(diǎn)1550.1880301550.21200.001%12點(diǎn)半1550.1640291550.18160.001%13點(diǎn)1550.1210271550.1208近似于013點(diǎn)半1550.1080251550.06000.003%14點(diǎn)1550.1020241550.02960.004%14點(diǎn)半1550.0840211549.93840.090%15點(diǎn)1550.0840211549.93840.090%16點(diǎn)半1550.0790201549.90800.011%17點(diǎn)1550.0760191549.87760.012%17點(diǎn)半1550.0760191549.87760.012%18點(diǎn)1550.0760191549.87760.012%由上表可知，最大誤差率為0.012%，所以設(shè)計(jì)的光纖光柵溫度傳感器可以用于具體的溫度測(cè)量3.4靈敏度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)光纖光柵溫度傳感器不受其他因素影響的時(shí)候溫度變化引起波長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng)可得：上式中：即光纖的熱漲系數(shù)，表示光柵的周期和溫度的變化關(guān)系。是光纖光纖的熱系數(shù)，表示光柵的有效折射率和溫度的變化關(guān)系。從上述公式可以得出，和是一種線性關(guān)系，可由測(cè)量光纖光柵的反射波長(zhǎng)移動(dòng)，以此來(lái)確定環(huán)境溫度。經(jīng)過(guò)上述式子的計(jì)算，設(shè)計(jì)的光纖光柵溫度傳感器靈敏度還算精準(zhǔn)。結(jié)論本文主要講述了圍繞光纖光柵原理來(lái)設(shè)計(jì)溫度傳感器，所用儀器的介紹作用對(duì)其進(jìn)行組裝的結(jié)構(gòu)以及一些參數(shù)的計(jì)算，甚至于光纖光柵溫度傳感器的發(fā)展歷史。此外還有對(duì)設(shè)計(jì)的光纖布拉格光柵溫度傳感器的一些實(shí)驗(yàn)。針對(duì)本次設(shè)計(jì)有優(yōu)點(diǎn)有缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)就是自主完成一個(gè)光纖光柵溫度傳感器的設(shè)計(jì)，以及實(shí)驗(yàn)部分能夠按照老師所給的步驟依次完成。缺點(diǎn)就是有些地方依舊有瑕疵，比如在針對(duì)光纖光柵溫度傳感器靈敏度的實(shí)驗(yàn)中，溫度取的不夠精準(zhǔn)，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)有所偏差還有在相應(yīng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，由于自己在設(shè)計(jì)光纖光柵溫度傳感器時(shí)忽略了量程這一關(guān)鍵性因素，所以在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中造成了一些不必要的麻煩。在我們?nèi)粘Ｉ钪?，有些地方離不開傳感器的應(yīng)用，特別是光纖光柵溫度傳感器在各行各業(yè)都有涉及，人類的發(fā)展或許離不開傳感器，傳感器技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)著人類科學(xué)的進(jìn)步，也許有一天，人類科學(xué)可以脫離傳感器技術(shù)的束縛，但是傳感器技術(shù)推動(dòng)人類科學(xué)發(fā)展的功勞是不可磨滅的。參考文獻(xiàn)HillKO,FujiY,JohnsonDC,etal.PhotosensitivityinopticalfiberwaveguidApplica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