新型结构光纤温度传感器

光纤传感器

()

新型结构光纤温度传感器

冯　越　贾殿增

摘　要　文中介绍一种新型结构光纤温度传感器的制作过程和测试结果,简要分析了工作原理。这种温度传感器具有体积小、结构简单、性能稳定、灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强和耐腐蚀等优点,适合于工业生产和化学反应过程中温度的快速和远距离测量。　　关键词　光导纤维,温度传感器,灵敏度。

ANewKindofOpticalFiberperaFeng(Departmentof)

JmtChemistry,XinjiangUniversity)

Abstract　Anopticalfibertemperaturesensorforchemicalreactionandindustrialproduc2tionispresented.Itsstructureisformeddirectlyontothefibrecladdingbychemicaletching.Theexperimentalresultsshowthattheopticalfibertemperaturesensorhasahighsensitivity.　　Keywords　opticalfiber,temperaturesensor,sensitivity

1　引　　言

在工业生产和化学反应过程中,常需要对温度进行测量和控制。所用的方法很多,例如用水银温度计测量,也可以用热电偶、半导体热敏电阻、铂电阻、铜电阻、集成温度传感器和光纤温度传感器等构成的仪表测量,还可以用光谱法测量等等。其中光纤测量法具有电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀等特点,有一些其他类型的传感器所没有的优越性。但现有的光纤温度传感器有的需要外加体积较大的敏感元件,有的则需要结构复杂的干涉仪,所以光纤温度传感器还没有得到广泛的应用。

这里介绍一种简单易行的制作光纤温度

冯　越　盐城师专物理系高工。 贾殿增　新疆大学化学系副教授。 本文于1996年10月23日收到。

传感器的方法,它把调制元件直接做在多模

光纤包层上,即调制元件与光导纤维合为一体,使传感器具有体积小,重量轻,灵敏度高和响应速度快等优点,用其制作的温度测量仪适合于工业生产和化学反应过程中温度的快速和远距离测量。

2　传感器的结构与制备

该光纤温度传感器的结构如图1所示,它是用一段包层直径为125Λm,长度约10cm的多模光纤用光刻法及化学腐蚀的方法在光纤包层上蚀刻而成的。图中Le为刻纹段长度,Lu为未刻纹段长度,be为刻纹后包层半径,bu为未刻纹包层半径,包层外部是作为调制元件的金属镀层。图1(a)为均匀镀膜,图1(b)为不均匀交叉镀膜。具体制作步骤如下:

　211　制作照相底版

根据图1的尺寸N、Le、Lu及L在白纸

—38—

光纤传感器

图1　光纤温度传感器的结构()

上用碳素墨水绘制底稿,然后在干板玻璃上做成照相底版。

　212125Λm溶液中除去光纤塑料外套层,然后用丙酮、甲醇及去离子水清洗。　213　涂胶、烘烤

通过旋转光纤使去掉塑料套层的光纤段涂上一层负性光刻胶,注意胶层要涂得尽可能均匀,厚薄适中。再入烘箱烘烤以增加胶膜与不被腐蚀部分的粘附。烘箱的温度一般控制在80℃左右,时间为15min。　214　曝光、显影和坚膜

经过上述处理后的光纤在紫外光下进行曝光,此过程须在暗室中进行,光源为80W高压汞灯。

曝光后,将经过曝光处理过的光纤浸入丙酮中,由于未感受光的部分能被丙酮溶解,感光的部分则被保留下来作蚀刻时的保护膜。接着,把显影后的光纤在80℃左右的烘箱中烘烤015h,可以使留下来的胶膜牢固地附着在光纤上,同时可增加胶膜本身的抗腐能力。这样,光纤上待刻纹的图案就清晰地出现在光纤上。　215　腐蚀

F,其成份4H2O,三种成份的配制比为l 6g 10ml。待腐蚀到所需的半径be时,从溶液中取出。　216　去胶

将蚀刻过的光纤放在浓硫酸中煮,以除去光纤包层外的光刻胶层,然后用去离子水洗净。

　217　镀膜

根据实际需要用真空镀膜机对刻纹段进行均匀镀膜或交叉镀膜,所用材料视应用要求而定,可以镀铝、铜或铬等。

3　测试结果

将制作好的各种不同参数的刻纹光纤分别按图2连接成测量线路:从光源出射的光经透镜耦合进光纤,光纤放在接有自耦变压器的温度场内,其温度用精度较高的温度计

图2　实验线路

—39—

光纤传感器

检测,光纤的出射光通过透镜射入硅光电池,其输出由微安表读数。　311　传感器的线性度

按理论推算,电流值与温度之间的关系

)=Kln[1+Α(t-to)]Io

式中Io是初始温度to时的电流值,Α是

与灵敏度相关的一些实验结果如图4、图5、图6和图7所示。

20 ÷220℃≈01091 ℃

=911×1024 ℃

为:　　ln(

光纤在镀膜作用后的线胀系数,K是线性

度。实验中选LED是高亮红色发光二极管,工作电流10mA,硅光电池面积5×10mm2,Io为30ΛA,金属镀层为铝,当温度范围是20～330℃时,得出的测温曲线如图3所示,可见传感器有很好的线性度。　312　传感器的灵敏度

图3度,可算得

:

　313　传感器的迟滞

传感器从20℃逐步加温到330℃,然后从330℃逐步降低到20℃,两条输出输入特性曲线重合程度很好,即传感器几乎没有迟滞现象。

　314　传感器的重复性

传感器从室温20,每隔5,,,℃后再停止加热,,误差仅为10-6,可见传感器重复性较好。　315　传感器的稳定性

图5　灵敏度与刻纹长度的关系　　　　　　　　图6　灵敏度与刻纹深度的关系

—40—

光纤传感器

积的变化,这种变化导致光能量的损失,引起输出信号光强度的改变。　411　影响灵敏度的因素

由图3和图4可知:灵敏度与刻纹段的数目N成正比,与刻纹段长度Le成反比。由图5可知,灵敏度开始随刻纹深度(bu～be)的增加而增加,但后来灵敏度随刻纹深度的增加而降低,这是因为包层厚度太薄时,光功率损耗太多,所以灵敏度反而会降低。因此,刻纹段的包层直径为60Λm左右时灵敏度较高。

:本来是透明的各向同,显示出光学上的各向异性,对物体施以压力或张力,它就显示出负单轴晶体或正单轴晶体的特性,不管是压力还是张力,有效光轴都在应力方向上,并且所引起的双折射与应力成正比,当镀层选用交叉镀膜时,随着温度变化产生的应变有所不同,从而在非对称传感器上施加了一个纵向应力,则在刻纹段与未刻纹段的连接区域中就会产生一个微弯,结构越是不对称,诱发的力矩越大,微弯就越大,随着微弯程度的增大导致附加损耗的增加,所以交叉镀膜传感器灵敏度更高。当刻纹数为35,用交叉镀膜后传感器的灵敏度达911×10-4以上。　413　镀层材料的选用

几种常用金属材料的熔点和线胀系数见表1。

从灵敏度考虑:选用不同的镀层材料,会有不同的灵敏度,对于线膨胀系数大的材料,例如铝和铅,其相应的灵敏度要高些,但铅的

图7　灵敏度与镀层材料的关系

传感器从开始使用到12h以内,最大误差不超过10-5,表示成稳定度为-512h另外,cm,为50Hz1m和高频炉,条件下,所能引起的最大误差约0143×10-4。　316　传感器的响应时间

对传感器进行温度响应时间测试,其值约为015s。

4　讨　　论

对于未经刻纹的普通光纤,在被外力挤压时,光纤中光强的变化量很小,几乎测不出来,所以光强调制型的光纤温度传感器一般要加外部敏感元件,靠敏感元件来调制光纤中的光强。现在这根被挤压的光纤上包含了几个刻纹段并镀铝后,情况就不一样了,就比较容易地调制光纤中的光强,其原理是:光纤刻纹段镀铝后,在外界温度发生变化时,首先镀在光纤表面上的铝镀层发生热胀冷缩,使光纤受到拉伸或压缩,引起光纤内传输模体

表1　几种金属材料的熔点和线胀系数(熔点:1大气压下,线胀系数:20℃下)

铜

熔　　点线胀系数

(-6)

1084151617

铁

15351118

镍

14551218

铬

18901312

铝

660142310

金

1064141412

银

9611931910

锡

23119721

铅

3271502817

—41—

光纤传感器

质地较软,容易变形和磨损,熔点也较低,所以铅不适宜作镀层材料,铝比较适宜。

从测温范围考虑:应选用熔点高的材料,不过熔点高的材料其相应的灵敏度要低些。由表1可知,选用镍或铬比较适宜。考虑测温范围也应注意石英光纤的自身熔点,其值为1700℃,所以光纤温度传感器所能测量的最高温度约1400℃。

从抗磁性考虑:铁、镍在室温下不能作镀层材料,因铁、镍是强磁性物质,在外界磁场的作用下,镀层易产生形变,引起附加误差。

从耐腐性考虑:应根据实际需要选用耐腐性好的材料,例如镍、铬和金等,,一般情况下,测温范围20～600℃时镀层

材料以铝最佳,测温范围300～1200℃时镀层材料以铬最佳。

　414　响应速度

由于光导纤维很细,热量从其表面传输到中心所需的时间很短,所以刻纹光纤温度传感器的响应速度特快,加上光纤可以绕曲,传光效率很高,所以信号的传输距离较远。

5　几种光纤温度传感器性能比较

(敏感型)),因为本文介,所以仅与功能型传感,性能见表2。

表2　功能型传感器性能比较

相　　位偏振光数值孔径光强(传统)光强(新型)

光学现象干涉现象双折射变化折射率变化红外线透射双折射与微弯

光纤材料石英系玻璃石英系玻璃石英系玻璃SiO2,CaF2石英系玻璃

温度范围

0～1200℃20～300℃25～180℃250～1200℃20～1200℃

灵敏度

17个条纹 ℃ m516×10-4 ℃

　-　　　

118×10-4 ℃911×10-4　　可见,利用相位干涉现象的传感器灵敏

度极高,但使用中要求用较长的光纤(一般为几米)和复杂的干涉仪才能完成,而且调整比较困难。其他形式的传感器有的体积较大,有的则灵敏度不高,而新型结构的光纤传感器结构简单、体积很小,且有性能稳定、灵敏度较高和调整简便等优点,所以有一定的开发和应用前景。

参　考　文　献

1MasoudVazirietal.

Etchedfibersasstrain

.J.ofLightwaveTech,1992,10(6):836gauges

～841.

2SirkisetalJS.Analysisofadamagesensorbasedonelasticplastiemetalcoatingonoptical.J.ofLightwaveTech,1993,11(8):1385fibers

～1393.

3宁新宝,黄德培.物理化学生物传感器.南京大学

出版社,1991.

(上接第17页)

术,可以利用收端发射用的数据时钟代替恢

复的数据时钟,这样又可简化数据的位同步。以大大简化系统,减小体积,提高系统性能,降低成本。虽然DCAASIC芯片是为移动计算网络设计的,但可广泛地用于一般的软扩频系统的扩频和解扩。

5　结　　论

在扩频系统中采用DCAASIC芯片,可—42—

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ciqm.html