反射式光纤测温传感器的研究与设计
发布时间：2021-03-26 03:51
在一些应用领域由于特殊的工作环境,如高电压、大电流、强电磁干扰、高温、狭小空间、需要实时检测等,对传感器的性能提出了较高的要求。光纤传感器是以光为载体,光纤作为介质,用来感知及传播外界变化的传感器,具有体积小、化学稳定性好、抗电磁干扰、响应快等特点。本文为实现液体温度的实时检测,提出一种基于反射式光纤传感器的温度检测原理,并对传感器进行了设计和实验研究,具体完成了以下研究工作:（1）分析了反射式光纤测温传感器的测温原理。通过分析反射式光纤传感器工作原理和光场分布规律,结合液体折射率随温度的变化规律,提出反射式光纤测温传感器工作原理并予以分析。在此基础上,通过在反射式光纤传感器探头加装反射体和进液套,完成了反射式光纤测温传感器探头结构原型设计,之后分析了光纤探头的光纤排列方式。（2）建立了反射式光纤测温传感器的数学模型。根据反射式光纤传感器工作原理和油液折射率随温度变化规律,分别建立了单发射单接收和单发射双接收光纤测温传感器的输出特性数学模型。（3）进行反射式光纤测温传感器的输出特性仿真,确定了传感器参数,并完成了光纤传感器的结构设计。通过仿真分析,得出不同条件下光纤传感器输出与测量温度...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
出射端光场分布假设模型图
西安建筑科技大学硕士学位论文10图2.2单接收光纤测温传感器光耦合原理图发射光纤发出激光光波，通过入射光纤传输到充满待测液的腔体中，经反射体表面反射回接收光纤。随着液体介质温度的变化，接收到的光强也随之改变，建立光强与液体温度的联系，检测光强变化即实现液体温度的检测。首先应建立光纤测温传感器光场分布模型了解光强分布。激光光纤端面光场分布模型选用高斯分布或均匀分布分布假设较多，但是实际光场分布不是单纯的均匀分布或高斯分布[71]，而是更接近两种光场的混合[72]。在结合文献[64]综合上述两种近似情况，且考虑激光光束在液体传播过程中存在油液吸收度等因素，给出光束在油液中传播的光场分布模型为00222()exp[/()]()AKIITxRTRT（2-4）式中A为油液对光的吸收度;K0为发射光纤中光的传输损耗;I0为光源耦合到光纤中的光强;R（T）为光场分布等效半径，x为发射光纤和接收光纤的轴间距。其中320()tanNARTakz（2-5）其中a0为发射光纤纤芯半径，k为光场耦合系数，NA为光纤最大入射角，z为反射面与光纤端面的垂直距离。在激光物理领域，根据数值孔径NA定义和激光从光纤端面到液体传播规律，可得光纤最大入射角NA、光纤的数值孔径NA和介质折射率Tn存在如下关系[73-75]。sin=NATNAn（2-6）
西安建筑科技大学硕士学位论文12（a）进液套结构（b）进液套工作原理图2.3进液套分析光强分布模型，反射面距离是影响反射式光纤测温传感器输出特性的因素之一，在分析其输出特性时需要反复调整其大小，因此进液套内和反射体采用螺纹连接。相比透射式结构，反射式结构具有占用空间孝操作方便、无需对中[79]等优点。传感器整体结构如图2.4，由反射体、进液套、传感器主体、传输光纤组成。传感器主体、进液套、反射体之间通过螺纹连接，在反射体的反射面和传感器主体的端面间形成确定的距离。根据测温点进行安装，在安装时需要添加法兰等附件进行固定。图2.4反射式光纤测温传感器结构示意图2.2.2反射式光纤传感器光纤排列方式随着光纤传感和通信技术的蓬勃发展，反射式光纤传感器光纤排列方式的研究工作吸引了大批学者及科研工作者。为提高光纤传感器的灵敏度和精度[80]，对其结构进行改造和优化，使其具有广泛的应用领域[81]。目前，根据不同的测量要求，针对反射式光强调制型光纤，设计不同的探头排布方式，如图2.5所示。
本文编号：3100891
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
出射端光场分布假设模型图
西安建筑科技大学硕士学位论文10图2.2单接收光纤测温传感器光耦合原理图发射光纤发出激光光波，通过入射光纤传输到充满待测液的腔体中，经反射体表面反射回接收光纤。随着液体介质温度的变化，接收到的光强也随之改变，建立光强与液体温度的联系，检测光强变化即实现液体温度的检测。首先应建立光纤测温传感器光场分布模型了解光强分布。激光光纤端面光场分布模型选用高斯分布或均匀分布分布假设较多，但是实际光场分布不是单纯的均匀分布或高斯分布[71]，而是更接近两种光场的混合[72]。在结合文献[64]综合上述两种近似情况，且考虑激光光束在液体传播过程中存在油液吸收度等因素，给出光束在油液中传播的光场分布模型为00222()exp[/()]()AKIITxRTRT（2-4）式中A为油液对光的吸收度;K0为发射光纤中光的传输损耗;I0为光源耦合到光纤中的光强;R（T）为光场分布等效半径，x为发射光纤和接收光纤的轴间距。其中320()tanNARTakz（2-5）其中a0为发射光纤纤芯半径，k为光场耦合系数，NA为光纤最大入射角，z为反射面与光纤端面的垂直距离。在激光物理领域，根据数值孔径NA定义和激光从光纤端面到液体传播规律，可得光纤最大入射角NA、光纤的数值孔径NA和介质折射率Tn存在如下关系[73-75]。sin=NATNAn（2-6）
西安建筑科技大学硕士学位论文12（a）进液套结构（b）进液套工作原理图2.3进液套分析光强分布模型，反射面距离是影响反射式光纤测温传感器输出特性的因素之一，在分析其输出特性时需要反复调整其大小，因此进液套内和反射体采用螺纹连接。相比透射式结构，反射式结构具有占用空间孝操作方便、无需对中[79]等优点。传感器整体结构如图2.4，由反射体、进液套、传感器主体、传输光纤组成。传感器主体、进液套、反射体之间通过螺纹连接，在反射体的反射面和传感器主体的端面间形成确定的距离。根据测温点进行安装，在安装时需要添加法兰等附件进行固定。图2.4反射式光纤测温传感器结构示意图2.2.2反射式光纤传感器光纤排列方式随着光纤传感和通信技术的蓬勃发展，反射式光纤传感器光纤排列方式的研究工作吸引了大批学者及科研工作者。为提高光纤传感器的灵敏度和精度[80]，对其结构进行改造和优化，使其具有广泛的应用领域[81]。目前，根据不同的测量要求，针对反射式光强调制型光纤，设计不同的探头排布方式，如图2.5所示。
本文编号：3100891
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3100891.html
