发布时间 : 星期六 文章光纤传感器应用与控制设计更新完毕开始阅读5551f015866fb84ae45c8d23
泰山学院本科毕业论文
对斜光线的数值孔径为:
其中:为轴倾角。由((1> (2)式可见，无论是子午光线还是斜光线，光纤集光能力的大小都与纤芯和包层的折射率有关，在一定条件下，ni和n:的差异越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力就越强。
如果将光纤包层剥掉，用以折射率随温度变化的液体光敏材料代替包层}a}]一[fsil，由纤芯和液体的折射率差来控制光纤的损耗，从而可以改变光纤输出的光功率，这样就把光纤的输出功率与液体的温度联系起来，可由光电探测器件测量光强而达到测温的目的。这就是该温度传感器的测温的基本原理。
3.2.2液体的温度特性
折射率是一个重要的物理参数。它反映了物质的光学基本性质。在大学物理实
验中都开谈有用不同方法和不同仪器测定物质折射率的实验。但基本人都是测物质折射率随波长的变化。在中学或大学物理教学中，学生对折射率的了解也都是侧重十折射率与波长的关系。这就使得学生对折射率这个物理参数认识得不够全面。实际上，物质的折射率不但与它的分子结构和光线的波长有关，而且与物质的密度有关，随温度、压力等因素而变。历史上有不少科学家在理论和实验上研究过折射率与其密度的关系。牛顿就是第一位提出这两者关系的科学家。理论提出:在物质的原子组成一定时，折射率随物质密度而变化。研究表明，大气压的变化，对物质的密度影响甚微，而温度的变化对物质的密度，特别是对液体的密度有较明显的影响，其原因是:温度改变引起液体分子间势能和分子间距的改变，因而使密度发生了变化。为了获得对折射率更全面的了解.我们通过查阅文献知道液体有机化合物折射率随温度变化的情况。如图3.1液体折射率随温度变化的曲线所示是液体折射率随温度变化的曲线。
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图3.1 液体折射率随温度变化的曲线
由图3.1知液体温敏材料具有负温度系数，即其折射率随温度的升高而下降，并且该变化是线性的。不同的液体随温度变化的速度也不一样，也就是灵敏度不同。液体折射率随温度变化的关系可归纳如下经验公式:
其中α为温度系数，
为所用液体在t℃时的折射率。α与所选的材料有关。
根据大量的研究资料表明，对十大多数液体有机化合物，温度每升高一度，折射率减小
。但也有某些液体的。不在此范围内。另外，某些液体在沸点
附近的温度区域内，其温度系数较大。因此，在利用液体作为光纤温度传感器的温敏材料时，一定要考虑该种液体的沸点温度。本实验采用机油。
3.2.3包层折射率变化的光纤温度传感器原理
我们按图3.2的实验装置对液体温敏材料的折射率温度特性进行了研究。如图3.3实验装置电路示意图所示是由该实验装置所得的曲线，整条曲线可以分为AB, BC, CD二部分，对此，不难用前述原理进行说明。温敏介质折射率。光纤纤芯折射率n1和包层折射率n2随温度
随温度变化，
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变化相对、的变化可以忽略，并巨包层折射率n2随温度变化也是线性的。对
十这段温敏介质而言，光在纤芯与温敏材料界面的全反射临界角用表示，则
。对应的数值孔径为。AB段对应是
，
光在温敏区不满足全反射条件，有部分光溢出纤芯外，随着温度变化，输出功率 缓慢变化;当温度到达B点时，输出光功率达最小值;在BC段，即大，很明显原光纤中在
，纤芯和包层两介质的光学界面消失，
，输出光功率随温度上升单调增
内传输的光在温敏区不能满足全反射条件，而被损耗
减小，数值孔径变大，即光纤
掉一部分，随着温度的升高，温敏材料的折射率
的集光能力变大，损耗减小。从另一角度看，光线全反射的临界角度变小，有更 多的光线满足全反射条件，而被传输出去，所以，输出光功率随温度升高单调增 大，基本是线性变化的;继续升高温度，使
，则原光纤中满足全反射条件，
光能无损耗地输出(忽略材料的吸收、散射等)，这时输出功率开始趋向饱和。 这时对应CD段。所以不同的温度对应十不同的输出光强，根据实际的环境要求
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选择合适的液体与工作区域。本传感器的工作区域选在上。
3.3光提取检测处理
本小节设计了发光二极管驱动电路的设计，分析了光导纤维光探测器以及信
号检测电路.
3.3.1发光二极管驱动电路的设计
系统的输出与光源辐射功率是密切相关的。如果光源本身发射的光功率不
稳定，则直接会给检测带来误差。因此，稳定光源的光功率是非常必要的。 一般光源发射光功率的大小都与驱动光源的电压或者电流有关。因此，要使 光源稳定，首先必须有一个稳定的光源驱动电路。例如，半导体发光二极管LED 的发射光功率在一定范围内几乎与驱动电流成正比。因此，要使LED的发射光功 率稳定，宜采用恒流驱动电路。图3.4示出了LED的恒流驱动电路。根据运算放 大器的性能
。因此，流过LED的驱动电流
所以，只要保证
恒定，则就能达到恒流驱动的目的。通常，可由稳定的
基准稳压管提供。调整电阻Ra的值，就可以调整电路的驱动电流。恒流可以改善 LED光源的稳定性。但即使驱动电流恒定时，温度变化也将引起LED发射功率的
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