光纤温度传感器
电子092班 张洪亮
2009131041
光纤温度传感器
摘要
本文从光纤和光纤传感器以及光纤温度传感器的发展历程开始详细分析国内外 主要光纤温度测温方法的原理及特点， 比较了不同方法的温度测量范围和性能指 标以及各自的优缺点。通过研究发现了当前的光纤温度传感器的种类和特点，详 细介绍了光纤温度传感器的原理，种类和各自的特点和优缺点。可以根据这些传 感器各自特点将各种传感器应用到不同的领域， 本文也简要分析了各种光纤温度 传感器的运用范围和领域。 本文还通过图文并茂的方式比较详细地分析了介绍了空调器的基本结构， 工作电 气原理和基本的热力学过程。 本文对毕业设计主要内容和拟采用的研究方案也做出了详细地介绍分析。
关键词：光纤传感器，光纤温度传感器，运用领域，空调器，空调器原理 1 引言：
光纤温度传感器是一种新型的温度传感器． 它具有抗电磁干扰、 耐高压、 耐腐蚀、 防爆防燃、体积小、重量轻等优点，其中几种主要的光纤温度传感器：分布式光 纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传 感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器更有着自己独特的优点。 与传统的传感器 相比具有一下优点:灵敏度高; 是无源器件， 对被测对象不产生影响; 光纤耐高压， 耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠; 频带宽，动态范围大; 几何形状具有多方 面的适应性; 可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制; 体积小，重量 轻等。它将在航空航天、远程控制、化学、生物化学、医疗、安全保险、电力工 业等特殊环境下测温有着广阔的应用前景。 在本论文中将详细分析当前光纤温度传感器的主要种类和各自的原理， 特点和应 用范围。70 年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一 种新的直接交换信息的基础， 无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联 系起来。1977 年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是 光纤传感器问世的日子。从这以后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。 从 70 年代中期到 80 年代中期近十年的时间，光纤传感器己达近百种，它在国防 军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得 到实际应用。从目前的情况看，己有一些形成产品投入市场，但大量的是处在实 验室研究阶段。光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高; 是无源器件，对被测对象不产生影响; 光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境 下安全可靠; 频带宽，动态范围大; 几何形状具有多方面的适应性; 可以与光纤 遥测技术相配合，实现远距离测量和控制; 体积小，重量轻等。 目前，世界各国都对光纤传感器展开了广泛，深入的研究，几个研究工作 开展早的国家情况如下:美国对光纤传感器研究共有六个方面:这些项目分别是: 光纤传感系统; 现代数字光纤控制系统; 光纤陀螺; 核辐射监控; 飞机发动机监控; 民用研究计划。以上计划仅在 1983 年就投资 12-14 亿美元。美国从事光纤传感 器研究的有美国海军研究所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福大学等 28 个 主要单位。 美国光纤
传感器开始研制最早， 投资最大， 己有许多成果申请了专利。 英国政府特别是贸易工业部十分重视光纤传感器技术，早在 1982 年有该 部为首成立了英国光纤传感器合作协会，到 1985 年为止，共有 26 个成员，其中 包括中央电器研究所、Delta 控制公司、帝国化学工业公司、英国煤气公司、Taylor 仪器公司、标准电信研究所及几所主要大学。 德国的光纤陀螺的研究规模和水平仅次与美国居世界第二位， 西门子公司 在 1980 年就制成了高压光纤电流互感器的实验样机。 日本制定了 1979-1986 年“光应用计划控制系统”的七年规划，投资达 70 亿美金。有松下、三菱、东京大学等 24 家著名的公司和大学从事光纤传感器 研究。从 1980 年 7 月到 1983 年 6 月，申请光纤传感器的专利 464 件，涉及 11 个领域。主要应用于大型工厂，以解决强电磁千扰和易燃、易爆等恶劣环境中信 息测量、传输和生产全过程的控制问题。 我国光纤传感器的研究工作于 80 年代初开始，在“七五”规划中提出 15 项光纤传感器项目， 其中有光纤放射线探测仪、 光纤温度传感器及温度测量系统、 光纤陀螺、光纤磁场传感器、光纤电流、电压传感器、医用光纤传感器、分析用 传感器、集成光学传感器等。预计“七五”期间的研制成果可达到美、日等国 80 年代初、中期水平。 半导体吸收型光纤温度传感器基本上是 80 年代兴起的，其中以日本的研 究最为广泛。在 1981 年，Kazuo Kyuma 等四人在日本三菱电机中心实验室，首 次研制成功采用 GaA、和 Care 半导体材料的吸收型光纤温度传感器。由于人们 对半导体材料认识的不断深入，以及半导体制造和加工工艺水平的不断提高，使 人们对采用半导体材料来制作各种传感器的前景十分看好。在 90 年代前后， 出现了研究以硅材料作为温度敏感材料的光纤温度传感器。在 1988 年，Roorkee 大学 R.P.Agarwal 等人，采用 CIrD(化学气象淀积) 技术，在光纤端面上淀积多 晶硅薄膜，试制了硅吸收型光纤温度传感器。同年，Isko Kajanto 等人采用 SOI 结构，以光纤反射的方式，制作了单晶硅吸收型温度传感器。目前，以 GaAs 和 CdTe 直接带隙半导体材料的吸收型光纤温度传感器，已接近实用化。 国内对半导体吸收型光纤温度传感器的研究起步较晚， 兴起于 90 年代后期。 主要集中在清华大学，华中理工大学，东南大学等高校。他们对该种类型的传感 器结构， 特性和系统结构进行了详细的分析和实践。 但大量的研究只集中在 GaAs 半导体作为感温材料的传感器上，与国外在该领域的研究水平仍有较大差别。
2光纤温度传感器的特点：
光纤温度传感器与传统的温度传感器相比具有很多优点：光波不产生电磁干扰， 也不怕电磁干扰，易被各种光探测器件接收．可方便地进行光电或电光转换．易 与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配．光纤工作频率宽．动态范围大，是 一种低损耗传输线，光纤本身不带电．体积小质量轻，易弯曲，抗辐射性能好， 特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。国外 一些发达国家对光纤温度传感技术的应用研究已取得丰富成果． 不少光纤温度传 感器系统已实用化．成为替代传统温度传感器的商品。所有与温度相关的光学现 象或特性．本质上都可以用于温度测量．基于此．用于温度测量的现有光学 技术相当丰富。对于光纤温度传感器的研究占到将近所有光纤传感器研究的 20％。光纤温度传感器的研究．除对现有器件进行外场验证、完善和提高外，目 前有以下几个发展动向：大力发展测量温度分布的测量技术．即由对单个点的温 度测量到对光纤沿线上温度分布．以及大面积表面温度分布的测量：开发包括测 量温度在内的多功能的传感器：研制大型传感器阵列．实现全光学遥测。 光纤
测温传感器是用光纤来测量温度的。有两种方法可实现。一是利用被测表面 辐射能随温度的变化而变化的特点；利用光纤将辐射能量传输到热敏元件上经过转换再变成可供纪录和显示的电信号。这种方法独特之处就是可以远距离测 量； 另外一种方法是利用光在光导纤维内传输的相位随温度参数的改变而改变的 特点， 光信号的相位随温度的变化是由于光纤材料的尺寸和折射率都随温度改变 而引起的。
3 光纤传感器的基本原理
在光纤中传输的单色光波中w 是角频率； 为初相角。该式包含五个参数，即强度 率 w、波长、相位（wt+ ）和偏振态。光纤传感器的工作原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已知调制的光 信号进行检测，从而得到被测量。当被测物理量作用于光纤传感头内传输的光波 时，使的强度发生变化，就称为强度调制光纤传感器；当作用的结果使传输光的 波长、相位或偏振态发生变化时，就相应的称为波长、相位或偏振调制型光纤传 感器。
3.1 强度调制
3.1.1 发光强度调制传感器的调制原理 光纤传感器中发光强度的调制的基本原理可简述为， 以被测量所引起的发光强度 变化，来实现对被测 对象的检测和控制。光源 S 发出的发 光强度为 的光柱 入传感头， 在传感头 内， 光在被测物理量 的作用下强度发生 变化，即受到了外场的调制，使得输出发光强度 产生与被测量有确定对应关系 的变化。由光电探测器检测出发光强度的信号，经信号处理解调就得到了被测信号。
3.1.2 发光强度调制的方式 利用光纤微弯效应； 利用被测量改变光纤或者传感头对光波的吸收特性来实现发光强度调制； 通过与光纤接触的介质折射率的改变来实现发光强度调制； 在两根光纤间通过倏逝波的耦合实现发光强度调制； 利用发送光纤和接收光纤作相对横向或纵向运动实现发光强度调制， 这是当被测 物理量引起接收光纤位移时， 改变接收发光强度， 从而达到发光强度调制的目的。这种位移式发光强度调制的光纤传感器是一种结构简单， 技术较为成熟的光纤传感器。
3.1.3 发光强度调制型传感器分类 根据其调制环节在光纤内部还是在光纤外部可以分为功能型和非功能型两种。 强 度调制式光纤传感器的特点 解调方法简单、响应快、运行可靠、造价低。缺点 是测量精度较低，容易产生偏移，需要采取一些自补偿措施。
3.2 相位调制
通过被测量的作用，使光纤内传播的光 相位发生变化，再利用干涉测量技术把 相位转换为光强变化，从而检测出待测 的物理量。
4 光纤温度传感器
4.1几种光纤温度传感器的原理和研究现状 .1几种光纤温度传感器的原理和研究现状。光纤温度传感器按其工作原理可分为功能型和传输型两种。 功能型光纤温度传感 器是利用光纤的各种特性 f 相位、偏振、强度等) 随温度变换的特点，进行温度 测定。这类传感器尽管具有”传”、”感”合一的特点．但也增加了增敏和去敏 的困难。传输型光纤温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用．以避开测温 区域复杂的环境．对待测对象的调制功能是靠其他物理性质
的敏感元件来实现 的。这类传感器由于存在光纤与传感头的光耦合问题．增加了系统的复杂性，且对机械振动之类的干扰较敏感。下面介绍几种主要的光纤温度传感器的原理和研究现状。
4.1.1 分布式光纤温度传感器 分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统。 分 布光纤传感器系统最早是在1981年由英国南安普敦大学提出的．1983 年英 国的 Hartog 用液体光纤的拉曼光谱效 应进行了分布式光纤温度传感器原理 性实验．1985 年英国的 Dakin 在实验室用氩离子激光器作为光源进行了用石英光纤的拉曼光谱效应的分布光纤温度 传感器测温实验．同年 Hartog 和 Dakin 分别独立地用半导体激光器作为光源，研制了分布光纤温度传感器实验装置：此后。分布光纤温度传感器得到了很大的发展．研究出了多种传感机理．有的还使用了特种光纤。分布式光纤温度传感器 是基于瑞利散射、布里渊散射、喇曼散射三种分布式温度传感器。分布式光纤传感器从最初提出的基于光时域散射 fOTDRl 的瑞利散射系统开始．经历了基于 0TDR 的喇曼散射系统和基于 0TDR 的布里渊散射系统．使得测温精度和范围大幅提高。光频域散射 fOFDR)的提出也很早，但只有到了近期．伴随着喇曼散射和布里渊散射研究的深入．使 OFDR 和它们结合才显示出了它的优越性。基于 0TDR 和 OFDR 的分布式温度光纤传感器已经显示出了很大的优越性．所以基于 OTDR0FDR 的分布式温度光纤传感器仍将是研究的热点．尤其是基于 OFDR 的新的 分布式光纤传感器将是一个重要的发展方向。 土耳其 Gunes Yilmaz 研制出 10km、 温度分辨率为 1℃、空间分辨率为 1．22m 的分布式光纤温度传感器。在国内， 中国计量学院、重庆大学、浙江大学等单位根据应用的需要．先后开展了分布式 光纤温度传感器的研究。中国计量学院 1997 年研制了一种用于煤矿、隧道温度 自动报警的分布式光纤温度传感器系统，该系统光纤长为 2km．测温范围为一
50℃～150℃．测温精度为 2℃．温度分辨率为 O．1℃：2005 年设计制造出 31km 远程分布式光纤温度传感器． 测温范围 0℃～100℃， 温度测量不确定度为 2℃． 温 度分辨率为 0．1℃，测量时间为 432s．空间分辨率为 4m。 6.1.2 光纤光栅温度传感器 光纤光栅温度传感技术主要研究 Bmgg 光纤传感技术。根据 Bragg 光纤光栅反射 波长会随温度的变化而产生”波长移位”的原理制成光纤光栅温度传感器。1978 年．加拿大渥太华通信研究中心的 K．O ．HiU 等人首先发现掺锗石英光纤的光敏 效应．采用注入法制成世界上第一只光纤光栅(FBG)，1989 年，Morev 首次报导 将其用于传感。英国 T．A1lsoD 利用椭圆纤芯突变型光纤研制出温度分辨率为 O．9℃、曲率分辨率为 0．05 的长周期光纤光栅曲率温度传感器。意大利 A．Iadicicco 利用非均匀的稀疏布拉格光纤光栅
fThFBGsl 同时测量折射率和温 度．该传感器的温度分辨率为 0．1℃．在折射率 1．45、1．33 附近的折射率分 辨率分别为 10-s、104。中科院上海光机所利用光纤光栅的金属槽封装技术将光 纤光栅温度传感器的灵敏度提高到
O ．02℃：哈尔滨工业大学把光纤光栅粘贴在 金属半管上．使其分辨率达到 0．04℃：基于弯曲损耗的光纤温度传感器 基于弯曲损耗的光纤温度传感器利用硅纤芯和塑料包层折射率差随温度变化引 起光纤孔径的变化、光纤的突然弯曲引起的局部孔径的变化的原理测量温度。乌 克兰采用 EBOC 伍 ngIish—
Bickford Optics Com —pany) 生产的多模阶跃塑料包 层硅纤芯光纤 HCN～H ，已做出基于弯曲损耗的光纤温度传感器．其测温范围一 30℃～70℃．灵敏度达到 O ．5℃。法国研究出测温范围一 20℃～60℃。灵敏度 为 0。2℃的基于弯曲损
耗的光纤温度传感器。国内主要是对光纤的弯曲损耗与 入射波长、弯曲半径、弯曲角度、弯曲长度、光纤参量和温度等的关系做了一些 研究。
4.2 几种光纤温度传感器的特点及各自的研究方向
分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧 光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器分别具有独特的优点和一定的 不足，因此它们的研究方向不同。
4.2.1 分布式光纤温传感器 分布式光纤温传感器具有其他温度传感器不可比拟的优点。 它能够连续测量光纤 沿线所在处的温度．测量距离在几千米范围．空间定位精度达到米的数量级。能 够进行不问断的自动测量．特别适用于需要大范围多点测量的直用场合。目前对 分布式光纤温度传感器研究的重点： 实现单根光纤上多个物理参数或化学参数的 同时测量：提高信号接收和处理系统的检测能力．提高系统的空间分辨率和测量 不确定度：提高测量系统的测量范围．减少测量时间：基于二维或多维的分布式 光纤温度传感器网络。
4.2.2 光纤光栅温度传感器 光纤光栅温度传感器除了具有普通光纤温度传感器的许多优点外． 还有一些明显 优于其它光纤温度传感器的方面。其中最重要的就是它的传感信号为波长调制。 这一传感机制的好处在于：测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和 探测器老化等因素的影响： 避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固 有参考点的需要： 能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅 进行分布式测量： 很容易埋人材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测 量。尽管光纤光栅温度传感器有很多优点．但在应用中还需考虑很多因素：波长 微小位移的检测；宽光谱、高功率光源的获得；光检测器波长分辨率的提高；交 叉敏感的消除；光纤光栅的封装；光纤光栅的可靠性；光纤光栅的寿命。
4.2.3 光纤荧光温度传感器 光纤荧光温度传感器于其它光纤温度传感器相比有自己独特的优点： 由于荧光寿 命与温度的关系从本质上讲是内在的．与光的强度无关．这样就可以制成自较准 的光纤温度传感器．而一般的基于光强度检测的光纤温度传感器 f 如辐射型 1 则因为系统的光传输特性往往与传输光纤和光纤耦合器等相关而需经常校准： 测 量范围广，特别在高温情况下多用光纤荧光温度传感器。目前国外的研究主要围 绕着荧光源的选择．主要为下面几个方面：蓝宝石和红宝石发光、稀土发光及半 导体吸收。
干涉型光纤温度传感器的温度分辨率高：动态响应宽：结构灵巧。研究干涉型光 纤温度传感器的主要工作放在减小噪声干扰和信号解调上。
4.2.5 基于弯曲损耗的光纤温度传感器 基于弯曲损耗的光纤温度传感器具有结构简单、体积小、成本低、测量方便不需 要解调等优点。但是它还存在着很多的不足：测量精度低；由于它是强度调制型 光纤传感器，光源的稳定性对其影响很大；使用寿命短等缺点。在今后的研究中 主要从光纤的选择、测量条件的提高等方面开展工作。
5 光纤温度传感器的应用
光纤温度传感自问世以来．主要应用于电力系统、建筑、化工、航空航天、医疗 以至海洋开发等领域，并已取得了大量可靠的应用实绩。
5.1.1 光纤温度传感器在电力系统有着重要的应用 电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控； 高压配电装置内易发热部 位的监测；发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统；各种大、中型发电 机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断；火力发电厂的加 热系统、蒸汽管道、输油管 道的温度和故障点检测：地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等等。 因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤传感器从尺寸小和重量轻 的优点来讲．几乎没有其他传感器可以与之相比。
5.1.2 传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的 光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器。 光纤光栅传感器能够通过最小限 度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量。提供有关温度、压力和声波场的精 确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的岗厂阴，等：光纤温度传感器的研究 和应州损害非常小．足以避免对正常医疗过程的干扰。
5.1.3 光纤光栅传感器永久井下测量的应用 因其抗电磁干扰、耐高温、长期稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感．挪威 的 Optoplan 正在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器。在单冷空调制冷系统的基础上增加了单换阀和辅助毛细管。 制热时除制冷剂走向 （箭头）与制冷时相反外，且室外侧热交换器作蒸发器用于吸热，室内侧热交换 器作为冷凝器用于放热。 制冷
（ 8.1.3 制冷（热）系统各器件的功能与作用 现说明如下： ( 1) 压缩机: 压缩机运转后，产生吸排气功能，并由低压管口（粗）吸气、高 压管口（细）排气，推动制冷剂在制冷管路中循环流通。同时对低压管吸入的制 冷剂进行压缩变为高压高温后由高压管口排出。 ( 2) 冷凝器: 对压缩机排出的高压、高温气态进行制冷，在流经冷凝器的过程 中，逐步散热降温而冷凝为液态／中温／高压制冷剂，实现制冷剂从气态到 液态的转换，以把制冷剂携带的热量散发到空气中，实现热量的转移。 ( 3) 毛细管; 是一根直径 4 mm 、长 l m 左右的细铜管，接于过滤器（或冷暖机 单向阀）与蒸发器之间，对冷凝器流出的中温高压液态制冷剂进行节流降压，使 蒸发器中形成低压环境。 ( 4) 过滤器: 滤除制冷剂中微量脏物，保证制冷剂在制冷管路中的循环流通。 ( 5) 蒸发器: 经毛细管降压节流输出的制冷剂，在流经经蒸发器管路过程中逐 步沸腾蒸发为气体，并在蒸发过程吸收外界空气的热量，使周围空气降温。
5.3 电气控制系统的结构和工作过程
电气控制系统的核心器件是压缩机和风扇电机， CS 启动绕组瞬间有启动电流流过就开始运 转，把电能变换为机械能。压缩机运转产生的机械能带动制冷系统工作以实施制 冷（热）；风扇电机运转产生的机械能，带动扇叶旋转以实现空气循环。
6设计主要内容和拟采用的研究方案
6.1 光纤温度传感器的设计
根据光纤弯曲损耗的理论分 析，光纤温度传感器结构由 三大部分组成：温度敏感头、传输与信号处理部分。
6.1.1 温度敏感头 温度敏感头是温度传感器中 最主要的部件，是将所测量 温度转换成直接能够测量的 参数，在这里，是转换成光纤的损耗大小，同等状态下，损耗大，探测器接收到 的光功率小，反之，接收到功率就大。传感头主要由多模光纤与金属构件组成，零件上光纤弯曲损耗大小随之改变金属件受到温度越高，形变越大，在光源输出 光功率稳定情况下，光纤弯曲损耗增加时，探测器接收到的光功率就会减小，反 之，接收到的光功率增大。当传感头处的温度场发生变化时，通过探测器将接收 到的不同光信号转换成电信号，进一步处理、计算，输出外界的温度值大小。金 属零件在热变形时， 其变形量不仅与零件尺寸、 组成该形体的材料线膨胀系数α、 环境温度 t 有关，而且与形体结构因子(取决于几何参数) 有关，计算比较复杂， 在这里采用传统的公式模拟来计算： Lt=L[1+α (t-20°C)] (5) 式中，Lt —温度 t 时的尺寸；L —20℃时的尺寸；α—线膨胀系数，其数学表达 式比较复杂， 可选用平均线膨胀系数， 经过查表可知。 为了提高传感器的灵敏度， 温度敏感头金属材料需选用膨胀系数较大的， 且膨胀系数在整个温度测量区间要 较稳定，有较好重复性；温度敏感头的结构形状也是要考虑的另一个因素，不同 的形状，对灵敏度影响很大。要提高传感头对温度的响应时间，需要选用导热系 数较高的材料，比热越小越好，在温度突变时，能快速响应。经过课题组反复计 算与试验，选用成本较低、加工容易、导热较快，并且满足使用范围的金属材料 铝。通过试验，传感器在-40°C ～＋80°C 温度范围内均可精确工作。
6.1.2 传输部分 光纤在这里不仅要作为转换器件使用，同时也作为光信号传输载体，选用对弯曲 损耗更敏感的多模光纤，一般地采用 62.5/125μm 标准的多模光纤。由于加载 光纤时要施加一定的张力控制，使得光纤缠绕在金属零件上，光纤本身就比较容 易损坏，敏感头处光纤长时间受到一定内应力作用，必须对光纤的涂层进行加固 耐磨处理，增加传感器使用的可靠性。
6.1.3 信号处理部分信号处理部分 主要由发光管、探测器的驱动电路与数字电路处理两部分组成，发光管、探测器 的驱动电路技术已经非常成熟。数字电路处理主要使用价廉物美的单片机，CPU 使用美国 ATMEL 公司生产的 AT89C52 单片机，是一块具有低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM ）和 256bytes 的随机存取数据存储器（RAM ），全部采用 ATMEL 公司的高密度、非 易失性存储技术生产，与标准 MCS－51 指令系统及 8052 产品引脚兼容，片内置 通用 8 位中央处理器 （CPU ） Flash 存储单元， 和 功能强大。 A/D 转换采用 AD 公 司生产的 12 位 D574A 芯片，转换时间位 25μs ，数字位数可设定为 12 位，也 可设为 8 位，内部集成有转换时钟、参考电压和三态输出锁存，可以与微机直 接接口。为了方便在现场使用，光纤温度传感器扩展了 LCD 显示接口，同时还 扩展了一个 RS-232 通信口，用于同上位机进行通信，将现场采集的数据传送到 上位机，进一步分析处理。整个监控程序采用模块化设计，主要的功能模块有： 系统初始化，A/D 采样周期设定，数字滤波，数据处理，串行通信，中断保护与 处理，显示与键盘扫描程序等。程序采用单片机汇编语言来编写，使用广泛、运 算的速度快等特点，有效的利用单片机上有限的 RAM 空间，其中，由于温度的变化引起光强的变化不是线性的，因此我们采用查表法对其测量值进行线性补偿。
6.2 试验检验与数据处理
已经制作好的温度敏感头通过试验测试。 第一步，在温度敏感头的一端光纤连接器上加载稳定的短波长的光源，另一端接相匹配的光功率计，将温度敏感头置入恒温槽中； 第二步， 设置恒温槽温度， 观察光功率计值的变化情 况，要满足在测量的整个 工作区间光功率都有变 化； 第三步，定点测量，设定 几个或更多温度点，记录 下， 温度与光功率对应值， 反复多次试验，观察温度敏感头的重复性。光纤温度传感头通过试验测试. 通过上述试验表明，传感 头满足使用要求，重复性 非常好，加载发光管与探 测器驱 动电 路以 及信 号 处理电路，整体调试传感 器，观察温度与传感器输 出的电压值关系，重复操 作上述 试验 第二 、第 三 步。 通过观察上述两个曲线，形状基本一致，重复性较好，表明传感器整体性能满足 要求。将几个特殊点电压值送到单片机进行处理，采用直线插值拟合或者最小二 乘法曲线拟合， 输出温度值。 通过实测检验， 与标准温度值误差最大值为±1°C ， 基于金属热膨胀式的光纤温度传感器设计是成功的，传感器整体测试精度较高。根据前面论述的方案, 通过光路调整等一系列过程。 通过使光纤的感温部分受热, 可以在监视器上观察到条纹的变化。 当温度升高时, 条纹几近匀速地向右移动; 当温度降低时, 条纹向相反的方向移动。 这样的变化较 为规律, 但是对于温度检测电路来说, 要求温度变化可测, 从而得到定量的关系; 对于图像检测而言, 条纹要尽量清晰, 明暗对比强烈, 才能在图像处理时减少不必 要的误差。
6.2.1 信号检测及处理 1 温度标定 (1) 方案: 为使感温部分的光纤均匀受热, 选择 2 个 5 cm 的薄铜片将光纤夹入 其中。使用电烙铁为其加热, 使其温度变化范围加大, 条纹移动明显。对于其他不 感温光纤, 将其固定在绝热平台上, 减小热源的影响。 (2) 电路设计:本文使用热敏电阻标定温度与干涉条纹数之间关系, 由于热敏电 阻随温度变化呈指数规律, 即其非线性是十分严重的。 当进行温度测量时, 应考虑 将其进行线性化处理。测温电路 本系统中所用的热敏电阻为负温度系数。其特性可 以表示为:Rt = Rt0 exp B1T-1T0(1)式中: Rt 、Rt0 分别为温度 T 和 T0 时的 电阻值。根据式(1)以及压阻变换关系可以得到下面这个最终的根据电压的变化 从而测得温度变化的表达式:1T=1BlnUtUt0+1T0(2) (3) 数据处理 在测量过程中, 为找到合适的电压测量点, 选择时间为参考因素, 以 60 s 为一个 阶段, 测量一次热敏电阻两端电压, 记录电压值, 并根据公式得对应的温度, 求得 Δt 。同时记录在这些点间的条纹移动数量, 记为Δn 。根据Δt 和Δn 可得到温 度与条纹之间的函数关系。 (4) 结果分析 设条纹变化数为Δy , 温度变化数为Δx , 则根据实验数据可以得到这样一个近似 线性的函数关系式:Δy =
8. 30Δx 。即温度升高 1 ℃, 条纹移动 8. 30 个。如 果标定起始温度, 根据这一关系, 即可得到变化后的温度值。
6.2.2干涉条纹图像采集与处理 采用 MVPCI 专业图像采集卡采集干涉条纹图像, 从而很好地将对象从背景中分离出来。通常温度的判断基 于处理后的条纹图像, 因此需采用边缘检测来提取图像的特征。在 MATLAB 中使 用专门的边缘检测 edge 函数, 调用 Sobel 算子进行检测。可看出, R 的值是有规律地在变化, 表明 R 存在周期性。 通过程序中得到的 r (条纹边缘像素) 计算周期, 即 T = 22 。根据相位展开的相 关原把像素值小于 32 ,且与其前相邻一个像素的差大于某一值时, 将其加上一个 周期, 转换为类似线性的函数。
7. 结束语
传感器被成为电五官，在生活中的作用不言而喻，通过此次设计自己更加了解了传感器的工作原理，受益颇深。
参考文献
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光纤温度传感器
电子092班 张洪亮
2009131041
光纤温度传感器
摘要
本文从光纤和光纤传感器以及光纤温度传感器的发展历程开始详细分析国内外 主要光纤温度测温方法的原理及特点， 比较了不同方法的温度测量范围和性能指 标以及各自的优缺点。通过研究发现了当前的光纤温度传感器的种类和特点，详 细介绍了光纤温度传感器的原理，种类和各自的特点和优缺点。可以根据这些传 感器各自特点将各种传感器应用到不同的领域， 本文也简要分析了各种光纤温度 传感器的运用范围和领域。 本文还通过图文并茂的方式比较详细地分析了介绍了空调器的基本结构， 工作电 气原理和基本的热力学过程。 本文对毕业设计主要内容和拟采用的研究方案也做出了详细地介绍分析。
关键词：光纤传感器，光纤温度传感器，运用领域，空调器，空调器原理 1 引言：
光纤温度传感器是一种新型的温度传感器． 它具有抗电磁干扰、 耐高压、 耐腐蚀、 防爆防燃、体积小、重量轻等优点，其中几种主要的光纤温度传感器：分布式光 纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传 感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器更有着自己独特的优点。 与传统的传感器 相比具有一下优点:灵敏度高; 是无源器件， 对被测对象不产生影响; 光纤耐高压， 耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠; 频带宽，动态范围大; 几何形状具有多方 面的适应性; 可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制; 体积小，重量 轻等。它将在航空航天、远程控制、化学、生物化学、医疗、安全保险、电力工 业等特殊环境下测温有着广阔的应用前景。 在本论文中将详细分析当前光纤温度传感器的主要种类和各自的原理， 特点和应 用范围。70 年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一 种新的直接交换信息的基础， 无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联 系起来。1977 年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是 光纤传感器问世的日子。从这以后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。 从 70 年代中期到 80 年代中期近十年的时间，光纤传感器己达近百种，它在国防 军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得 到实际应用。从目前的情况看，己有一些形成产品投入市场，但大量的是处在实 验室研究阶段。光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高; 是无源器件，对被测对象不产生影响; 光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境 下安全可靠; 频带宽，动态范围大; 几何形状具有多方面的适应性; 可以与光纤 遥测技术相配合，实现远距离测量和控制; 体积小，重量轻等。 目前，世界各国都对光纤传感器展开了广泛，深入的研究，几个研究工作 开展早的国家情况如下:美国对光纤传感器研究共有六个方面:这些项目分别是: 光纤传感系统; 现代数字光纤控制系统; 光纤陀螺; 核辐射监控; 飞机发动机监控; 民用研究计划。以上计划仅在 1983 年就投资 12-14 亿美元。美国从事光纤传感 器研究的有美国海军研究所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福大学等 28 个 主要单位。 美国光纤
传感器开始研制最早， 投资最大， 己有许多成果申请了专利。 英国政府特别是贸易工业部十分重视光纤传感器技术，早在 1982 年有该 部为首成立了英国光纤传感器合作协会，到 1985 年为止，共有 26 个成员，其中 包括中央电器研究所、Delta 控制公司、帝国化学工业公司、英国煤气公司、Taylor 仪器公司、标准电信研究所及几所主要大学。 德国的光纤陀螺的研究规模和水平仅次与美国居世界第二位， 西门子公司 在 1980 年就制成了高压光纤电流互感器的实验样机。 日本制定了 1979-1986 年“光应用计划控制系统”的七年规划，投资达 70 亿美金。有松下、三菱、东京大学等 24 家著名的公司和大学从事光纤传感器 研究。从 1980 年 7 月到 1983 年 6 月，申请光纤传感器的专利 464 件，涉及 11 个领域。主要应用于大型工厂，以解决强电磁千扰和易燃、易爆等恶劣环境中信 息测量、传输和生产全过程的控制问题。 我国光纤传感器的研究工作于 80 年代初开始，在“七五”规划中提出 15 项光纤传感器项目， 其中有光纤放射线探测仪、 光纤温度传感器及温度测量系统、 光纤陀螺、光纤磁场传感器、光纤电流、电压传感器、医用光纤传感器、分析用 传感器、集成光学传感器等。预计“七五”期间的研制成果可达到美、日等国 80 年代初、中期水平。 半导体吸收型光纤温度传感器基本上是 80 年代兴起的，其中以日本的研 究最为广泛。在 1981 年，Kazuo Kyuma 等四人在日本三菱电机中心实验室，首 次研制成功采用 GaA、和 Care 半导体材料的吸收型光纤温度传感器。由于人们 对半导体材料认识的不断深入，以及半导体制造和加工工艺水平的不断提高，使 人们对采用半导体材料来制作各种传感器的前景十分看好。在 90 年代前后， 出现了研究以硅材料作为温度敏感材料的光纤温度传感器。在 1988 年，Roorkee 大学 R.P.Agarwal 等人，采用 CIrD(化学气象淀积) 技术，在光纤端面上淀积多 晶硅薄膜，试制了硅吸收型光纤温度传感器。同年，Isko Kajanto 等人采用 SOI 结构，以光纤反射的方式，制作了单晶硅吸收型温度传感器。目前，以 GaAs 和 CdTe 直接带隙半导体材料的吸收型光纤温度传感器，已接近实用化。 国内对半导体吸收型光纤温度传感器的研究起步较晚， 兴起于 90 年代后期。 主要集中在清华大学，华中理工大学，东南大学等高校。他们对该种类型的传感 器结构， 特性和系统结构进行了详细的分析和实践。 但大量的研究只集中在 GaAs 半导体作为感温材料的传感器上，与国外在该领域的研究水平仍有较大差别。
2光纤温度传感器的特点：
光纤温度传感器与传统的温度传感器相比具有很多优点：光波不产生电磁干扰， 也不怕电磁干扰，易被各种光探测器件接收．可方便地进行光电或电光转换．易 与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配．光纤工作频率宽．动态范围大，是 一种低损耗传输线，光纤本身不带电．体积小质量轻，易弯曲，抗辐射性能好， 特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。国外 一些发达国家对光纤温度传感技术的应用研究已取得丰富成果． 不少光纤温度传 感器系统已实用化．成为替代传统温度传感器的商品。所有与温度相关的光学现 象或特性．本质上都可以用于温度测量．基于此．用于温度测量的现有光学 技术相当丰富。对于光纤温度传感器的研究占到将近所有光纤传感器研究的 20％。光纤温度传感器的研究．除对现有器件进行外场验证、完善和提高外，目 前有以下几个发展动向：大力发展测量温度分布的测量技术．即由对单个点的温 度测量到对光纤沿线上温度分布．以及大面积表面温度分布的测量：开发包括测 量温度在内的多功能的传感器：研制大型传感器阵列．实现全光学遥测。 光纤
测温传感器是用光纤来测量温度的。有两种方法可实现。一是利用被测表面 辐射能随温度的变化而变化的特点；利用光纤将辐射能量传输到热敏元件上经过转换再变成可供纪录和显示的电信号。这种方法独特之处就是可以远距离测 量； 另外一种方法是利用光在光导纤维内传输的相位随温度参数的改变而改变的 特点， 光信号的相位随温度的变化是由于光纤材料的尺寸和折射率都随温度改变 而引起的。
3 光纤传感器的基本原理
在光纤中传输的单色光波中w 是角频率； 为初相角。该式包含五个参数，即强度 率 w、波长、相位（wt+ ）和偏振态。光纤传感器的工作原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已知调制的光 信号进行检测，从而得到被测量。当被测物理量作用于光纤传感头内传输的光波 时，使的强度发生变化，就称为强度调制光纤传感器；当作用的结果使传输光的 波长、相位或偏振态发生变化时，就相应的称为波长、相位或偏振调制型光纤传 感器。
3.1 强度调制
3.1.1 发光强度调制传感器的调制原理 光纤传感器中发光强度的调制的基本原理可简述为， 以被测量所引起的发光强度 变化，来实现对被测 对象的检测和控制。光源 S 发出的发 光强度为 的光柱 入传感头， 在传感头 内， 光在被测物理量 的作用下强度发生 变化，即受到了外场的调制，使得输出发光强度 产生与被测量有确定对应关系 的变化。由光电探测器检测出发光强度的信号，经信号处理解调就得到了被测信号。
3.1.2 发光强度调制的方式 利用光纤微弯效应； 利用被测量改变光纤或者传感头对光波的吸收特性来实现发光强度调制； 通过与光纤接触的介质折射率的改变来实现发光强度调制； 在两根光纤间通过倏逝波的耦合实现发光强度调制； 利用发送光纤和接收光纤作相对横向或纵向运动实现发光强度调制， 这是当被测 物理量引起接收光纤位移时， 改变接收发光强度， 从而达到发光强度调制的目的。这种位移式发光强度调制的光纤传感器是一种结构简单， 技术较为成熟的光纤传感器。
3.1.3 发光强度调制型传感器分类 根据其调制环节在光纤内部还是在光纤外部可以分为功能型和非功能型两种。 强 度调制式光纤传感器的特点 解调方法简单、响应快、运行可靠、造价低。缺点 是测量精度较低，容易产生偏移，需要采取一些自补偿措施。
3.2 相位调制
通过被测量的作用，使光纤内传播的光 相位发生变化，再利用干涉测量技术把 相位转换为光强变化，从而检测出待测 的物理量。
4 光纤温度传感器
4.1几种光纤温度传感器的原理和研究现状 .1几种光纤温度传感器的原理和研究现状。光纤温度传感器按其工作原理可分为功能型和传输型两种。 功能型光纤温度传感 器是利用光纤的各种特性 f 相位、偏振、强度等) 随温度变换的特点，进行温度 测定。这类传感器尽管具有”传”、”感”合一的特点．但也增加了增敏和去敏 的困难。传输型光纤温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用．以避开测温 区域复杂的环境．对待测对象的调制功能是靠其他物理性质
的敏感元件来实现 的。这类传感器由于存在光纤与传感头的光耦合问题．增加了系统的复杂性，且对机械振动之类的干扰较敏感。下面介绍几种主要的光纤温度传感器的原理和研究现状。
4.1.1 分布式光纤温度传感器 分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统。 分 布光纤传感器系统最早是在1981年由英国南安普敦大学提出的．1983 年英 国的 Hartog 用液体光纤的拉曼光谱效 应进行了分布式光纤温度传感器原理 性实验．1985 年英国的 Dakin 在实验室用氩离子激光器作为光源进行了用石英光纤的拉曼光谱效应的分布光纤温度 传感器测温实验．同年 Hartog 和 Dakin 分别独立地用半导体激光器作为光源，研制了分布光纤温度传感器实验装置：此后。分布光纤温度传感器得到了很大的发展．研究出了多种传感机理．有的还使用了特种光纤。分布式光纤温度传感器 是基于瑞利散射、布里渊散射、喇曼散射三种分布式温度传感器。分布式光纤传感器从最初提出的基于光时域散射 fOTDRl 的瑞利散射系统开始．经历了基于 0TDR 的喇曼散射系统和基于 0TDR 的布里渊散射系统．使得测温精度和范围大幅提高。光频域散射 fOFDR)的提出也很早，但只有到了近期．伴随着喇曼散射和布里渊散射研究的深入．使 OFDR 和它们结合才显示出了它的优越性。基于 0TDR 和 OFDR 的分布式温度光纤传感器已经显示出了很大的优越性．所以基于 OTDR0FDR 的分布式温度光纤传感器仍将是研究的热点．尤其是基于 OFDR 的新的 分布式光纤传感器将是一个重要的发展方向。 土耳其 Gunes Yilmaz 研制出 10km、 温度分辨率为 1℃、空间分辨率为 1．22m 的分布式光纤温度传感器。在国内， 中国计量学院、重庆大学、浙江大学等单位根据应用的需要．先后开展了分布式 光纤温度传感器的研究。中国计量学院 1997 年研制了一种用于煤矿、隧道温度 自动报警的分布式光纤温度传感器系统，该系统光纤长为 2km．测温范围为一
50℃～150℃．测温精度为 2℃．温度分辨率为 O．1℃：2005 年设计制造出 31km 远程分布式光纤温度传感器． 测温范围 0℃～100℃， 温度测量不确定度为 2℃． 温 度分辨率为 0．1℃，测量时间为 432s．空间分辨率为 4m。 6.1.2 光纤光栅温度传感器 光纤光栅温度传感技术主要研究 Bmgg 光纤传感技术。根据 Bragg 光纤光栅反射 波长会随温度的变化而产生”波长移位”的原理制成光纤光栅温度传感器。1978 年．加拿大渥太华通信研究中心的 K．O ．HiU 等人首先发现掺锗石英光纤的光敏 效应．采用注入法制成世界上第一只光纤光栅(FBG)，1989 年，Morev 首次报导 将其用于传感。英国 T．A1lsoD 利用椭圆纤芯突变型光纤研制出温度分辨率为 O．9℃、曲率分辨率为 0．05 的长周期光纤光栅曲率温度传感器。意大利 A．Iadicicco 利用非均匀的稀疏布拉格光纤光栅
fThFBGsl 同时测量折射率和温 度．该传感器的温度分辨率为 0．1℃．在折射率 1．45、1．33 附近的折射率分 辨率分别为 10-s、104。中科院上海光机所利用光纤光栅的金属槽封装技术将光 纤光栅温度传感器的灵敏度提高到
O ．02℃：哈尔滨工业大学把光纤光栅粘贴在 金属半管上．使其分辨率达到 0．04℃：基于弯曲损耗的光纤温度传感器 基于弯曲损耗的光纤温度传感器利用硅纤芯和塑料包层折射率差随温度变化引 起光纤孔径的变化、光纤的突然弯曲引起的局部孔径的变化的原理测量温度。乌 克兰采用 EBOC 伍 ngIish—
Bickford Optics Com —pany) 生产的多模阶跃塑料包 层硅纤芯光纤 HCN～H ，已做出基于弯曲损耗的光纤温度传感器．其测温范围一 30℃～70℃．灵敏度达到 O ．5℃。法国研究出测温范围一 20℃～60℃。灵敏度 为 0。2℃的基于弯曲损
耗的光纤温度传感器。国内主要是对光纤的弯曲损耗与 入射波长、弯曲半径、弯曲角度、弯曲长度、光纤参量和温度等的关系做了一些 研究。
4.2 几种光纤温度传感器的特点及各自的研究方向
分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧 光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器分别具有独特的优点和一定的 不足，因此它们的研究方向不同。
4.2.1 分布式光纤温传感器 分布式光纤温传感器具有其他温度传感器不可比拟的优点。 它能够连续测量光纤 沿线所在处的温度．测量距离在几千米范围．空间定位精度达到米的数量级。能 够进行不问断的自动测量．特别适用于需要大范围多点测量的直用场合。目前对 分布式光纤温度传感器研究的重点： 实现单根光纤上多个物理参数或化学参数的 同时测量：提高信号接收和处理系统的检测能力．提高系统的空间分辨率和测量 不确定度：提高测量系统的测量范围．减少测量时间：基于二维或多维的分布式 光纤温度传感器网络。
4.2.2 光纤光栅温度传感器 光纤光栅温度传感器除了具有普通光纤温度传感器的许多优点外． 还有一些明显 优于其它光纤温度传感器的方面。其中最重要的就是它的传感信号为波长调制。 这一传感机制的好处在于：测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和 探测器老化等因素的影响： 避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固 有参考点的需要： 能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅 进行分布式测量： 很容易埋人材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测 量。尽管光纤光栅温度传感器有很多优点．但在应用中还需考虑很多因素：波长 微小位移的检测；宽光谱、高功率光源的获得；光检测器波长分辨率的提高；交 叉敏感的消除；光纤光栅的封装；光纤光栅的可靠性；光纤光栅的寿命。
4.2.3 光纤荧光温度传感器 光纤荧光温度传感器于其它光纤温度传感器相比有自己独特的优点： 由于荧光寿 命与温度的关系从本质上讲是内在的．与光的强度无关．这样就可以制成自较准 的光纤温度传感器．而一般的基于光强度检测的光纤温度传感器 f 如辐射型 1 则因为系统的光传输特性往往与传输光纤和光纤耦合器等相关而需经常校准： 测 量范围广，特别在高温情况下多用光纤荧光温度传感器。目前国外的研究主要围 绕着荧光源的选择．主要为下面几个方面：蓝宝石和红宝石发光、稀土发光及半 导体吸收。
干涉型光纤温度传感器的温度分辨率高：动态响应宽：结构灵巧。研究干涉型光 纤温度传感器的主要工作放在减小噪声干扰和信号解调上。
4.2.5 基于弯曲损耗的光纤温度传感器 基于弯曲损耗的光纤温度传感器具有结构简单、体积小、成本低、测量方便不需 要解调等优点。但是它还存在着很多的不足：测量精度低；由于它是强度调制型 光纤传感器，光源的稳定性对其影响很大；使用寿命短等缺点。在今后的研究中 主要从光纤的选择、测量条件的提高等方面开展工作。
5 光纤温度传感器的应用
光纤温度传感自问世以来．主要应用于电力系统、建筑、化工、航空航天、医疗 以至海洋开发等领域，并已取得了大量可靠的应用实绩。
5.1.1 光纤温度传感器在电力系统有着重要的应用 电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控； 高压配电装置内易发热部 位的监测；发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统；各种大、中型发电 机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断；火力发电厂的加 热系统、蒸汽管道、输油管 道的温度和故障点检测：地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等等。 因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤传感器从尺寸小和重量轻 的优点来讲．几乎没有其他传感器可以与之相比。
5.1.2 传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的 光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器。 光纤光栅传感器能够通过最小限 度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量。提供有关温度、压力和声波场的精 确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的岗厂阴，等：光纤温度传感器的研究 和应州损害非常小．足以避免对正常医疗过程的干扰。
5.1.3 光纤光栅传感器永久井下测量的应用 因其抗电磁干扰、耐高温、长期稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感．挪威 的 Optoplan 正在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器。在单冷空调制冷系统的基础上增加了单换阀和辅助毛细管。 制热时除制冷剂走向 （箭头）与制冷时相反外，且室外侧热交换器作蒸发器用于吸热，室内侧热交换 器作为冷凝器用于放热。 制冷
（ 8.1.3 制冷（热）系统各器件的功能与作用 现说明如下： ( 1) 压缩机: 压缩机运转后，产生吸排气功能，并由低压管口（粗）吸气、高 压管口（细）排气，推动制冷剂在制冷管路中循环流通。同时对低压管吸入的制 冷剂进行压缩变为高压高温后由高压管口排出。 ( 2) 冷凝器: 对压缩机排出的高压、高温气态进行制冷，在流经冷凝器的过程 中，逐步散热降温而冷凝为液态／中温／高压制冷剂，实现制冷剂从气态到 液态的转换，以把制冷剂携带的热量散发到空气中，实现热量的转移。 ( 3) 毛细管; 是一根直径 4 mm 、长 l m 左右的细铜管，接于过滤器（或冷暖机 单向阀）与蒸发器之间，对冷凝器流出的中温高压液态制冷剂进行节流降压，使 蒸发器中形成低压环境。 ( 4) 过滤器: 滤除制冷剂中微量脏物，保证制冷剂在制冷管路中的循环流通。 ( 5) 蒸发器: 经毛细管降压节流输出的制冷剂，在流经经蒸发器管路过程中逐 步沸腾蒸发为气体，并在蒸发过程吸收外界空气的热量，使周围空气降温。
5.3 电气控制系统的结构和工作过程
电气控制系统的核心器件是压缩机和风扇电机， CS 启动绕组瞬间有启动电流流过就开始运 转，把电能变换为机械能。压缩机运转产生的机械能带动制冷系统工作以实施制 冷（热）；风扇电机运转产生的机械能，带动扇叶旋转以实现空气循环。
6设计主要内容和拟采用的研究方案
6.1 光纤温度传感器的设计
根据光纤弯曲损耗的理论分 析，光纤温度传感器结构由 三大部分组成：温度敏感头、传输与信号处理部分。
6.1.1 温度敏感头 温度敏感头是温度传感器中 最主要的部件，是将所测量 温度转换成直接能够测量的 参数，在这里，是转换成光纤的损耗大小，同等状态下，损耗大，探测器接收到 的光功率小，反之，接收到功率就大。传感头主要由多模光纤与金属构件组成，零件上光纤弯曲损耗大小随之改变金属件受到温度越高，形变越大，在光源输出 光功率稳定情况下，光纤弯曲损耗增加时，探测器接收到的光功率就会减小，反 之，接收到的光功率增大。当传感头处的温度场发生变化时，通过探测器将接收 到的不同光信号转换成电信号，进一步处理、计算，输出外界的温度值大小。金 属零件在热变形时， 其变形量不仅与零件尺寸、 组成该形体的材料线膨胀系数α、 环境温度 t 有关，而且与形体结构因子(取决于几何参数) 有关，计算比较复杂， 在这里采用传统的公式模拟来计算： Lt=L[1+α (t-20°C)] (5) 式中，Lt —温度 t 时的尺寸；L —20℃时的尺寸；α—线膨胀系数，其数学表达 式比较复杂， 可选用平均线膨胀系数， 经过查表可知。 为了提高传感器的灵敏度， 温度敏感头金属材料需选用膨胀系数较大的， 且膨胀系数在整个温度测量区间要 较稳定，有较好重复性；温度敏感头的结构形状也是要考虑的另一个因素，不同 的形状，对灵敏度影响很大。要提高传感头对温度的响应时间，需要选用导热系 数较高的材料，比热越小越好，在温度突变时，能快速响应。经过课题组反复计 算与试验，选用成本较低、加工容易、导热较快，并且满足使用范围的金属材料 铝。通过试验，传感器在-40°C ～＋80°C 温度范围内均可精确工作。
6.1.2 传输部分 光纤在这里不仅要作为转换器件使用，同时也作为光信号传输载体，选用对弯曲 损耗更敏感的多模光纤，一般地采用 62.5/125μm 标准的多模光纤。由于加载 光纤时要施加一定的张力控制，使得光纤缠绕在金属零件上，光纤本身就比较容 易损坏，敏感头处光纤长时间受到一定内应力作用，必须对光纤的涂层进行加固 耐磨处理，增加传感器使用的可靠性。
6.1.3 信号处理部分信号处理部分 主要由发光管、探测器的驱动电路与数字电路处理两部分组成，发光管、探测器 的驱动电路技术已经非常成熟。数字电路处理主要使用价廉物美的单片机，CPU 使用美国 ATMEL 公司生产的 AT89C52 单片机，是一块具有低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM ）和 256bytes 的随机存取数据存储器（RAM ），全部采用 ATMEL 公司的高密度、非 易失性存储技术生产，与标准 MCS－51 指令系统及 8052 产品引脚兼容，片内置 通用 8 位中央处理器 （CPU ） Flash 存储单元， 和 功能强大。 A/D 转换采用 AD 公 司生产的 12 位 D574A 芯片，转换时间位 25μs ，数字位数可设定为 12 位，也 可设为 8 位，内部集成有转换时钟、参考电压和三态输出锁存，可以与微机直 接接口。为了方便在现场使用，光纤温度传感器扩展了 LCD 显示接口，同时还 扩展了一个 RS-232 通信口，用于同上位机进行通信，将现场采集的数据传送到 上位机，进一步分析处理。整个监控程序采用模块化设计，主要的功能模块有： 系统初始化，A/D 采样周期设定，数字滤波，数据处理，串行通信，中断保护与 处理，显示与键盘扫描程序等。程序采用单片机汇编语言来编写，使用广泛、运 算的速度快等特点，有效的利用单片机上有限的 RAM 空间，其中，由于温度的变化引起光强的变化不是线性的，因此我们采用查表法对其测量值进行线性补偿。
6.2 试验检验与数据处理
已经制作好的温度敏感头通过试验测试。 第一步，在温度敏感头的一端光纤连接器上加载稳定的短波长的光源，另一端接相匹配的光功率计，将温度敏感头置入恒温槽中； 第二步， 设置恒温槽温度， 观察光功率计值的变化情 况，要满足在测量的整个 工作区间光功率都有变 化； 第三步，定点测量，设定 几个或更多温度点，记录 下， 温度与光功率对应值， 反复多次试验，观察温度敏感头的重复性。光纤温度传感头通过试验测试. 通过上述试验表明，传感 头满足使用要求，重复性 非常好，加载发光管与探 测器驱 动电 路以 及信 号 处理电路，整体调试传感 器，观察温度与传感器输 出的电压值关系，重复操 作上述 试验 第二 、第 三 步。 通过观察上述两个曲线，形状基本一致，重复性较好，表明传感器整体性能满足 要求。将几个特殊点电压值送到单片机进行处理，采用直线插值拟合或者最小二 乘法曲线拟合， 输出温度值。 通过实测检验， 与标准温度值误差最大值为±1°C ， 基于金属热膨胀式的光纤温度传感器设计是成功的，传感器整体测试精度较高。根据前面论述的方案, 通过光路调整等一系列过程。 通过使光纤的感温部分受热, 可以在监视器上观察到条纹的变化。 当温度升高时, 条纹几近匀速地向右移动; 当温度降低时, 条纹向相反的方向移动。 这样的变化较 为规律, 但是对于温度检测电路来说, 要求温度变化可测, 从而得到定量的关系; 对于图像检测而言, 条纹要尽量清晰, 明暗对比强烈, 才能在图像处理时减少不必 要的误差。
6.2.1 信号检测及处理 1 温度标定 (1) 方案: 为使感温部分的光纤均匀受热, 选择 2 个 5 cm 的薄铜片将光纤夹入 其中。使用电烙铁为其加热, 使其温度变化范围加大, 条纹移动明显。对于其他不 感温光纤, 将其固定在绝热平台上, 减小热源的影响。 (2) 电路设计:本文使用热敏电阻标定温度与干涉条纹数之间关系, 由于热敏电 阻随温度变化呈指数规律, 即其非线性是十分严重的。 当进行温度测量时, 应考虑 将其进行线性化处理。测温电路 本系统中所用的热敏电阻为负温度系数。其特性可 以表示为:Rt = Rt0 exp B1T-1T0(1)式中: Rt 、Rt0 分别为温度 T 和 T0 时的 电阻值。根据式(1)以及压阻变换关系可以得到下面这个最终的根据电压的变化 从而测得温度变化的表达式:1T=1BlnUtUt0+1T0(2) (3) 数据处理 在测量过程中, 为找到合适的电压测量点, 选择时间为参考因素, 以 60 s 为一个 阶段, 测量一次热敏电阻两端电压, 记录电压值, 并根据公式得对应的温度, 求得 Δt 。同时记录在这些点间的条纹移动数量, 记为Δn 。根据Δt 和Δn 可得到温 度与条纹之间的函数关系。 (4) 结果分析 设条纹变化数为Δy , 温度变化数为Δx , 则根据实验数据可以得到这样一个近似 线性的函数关系式:Δy =
8. 30Δx 。即温度升高 1 ℃, 条纹移动 8. 30 个。如 果标定起始温度, 根据这一关系, 即可得到变化后的温度值。
6.2.2干涉条纹图像采集与处理 采用 MVPCI 专业图像采集卡采集干涉条纹图像, 从而很好地将对象从背景中分离出来。通常温度的判断基 于处理后的条纹图像, 因此需采用边缘检测来提取图像的特征。在 MATLAB 中使 用专门的边缘检测 edge 函数, 调用 Sobel 算子进行检测。可看出, R 的值是有规律地在变化, 表明 R 存在周期性。 通过程序中得到的 r (条纹边缘像素) 计算周期, 即 T = 22 。根据相位展开的相 关原把像素值小于 32 ,且与其前相邻一个像素的差大于某一值时, 将其加上一个 周期, 转换为类似线性的函数。
7. 结束语
传感器被成为电五官，在生活中的作用不言而喻，通过此次设计自己更加了解了传感器的工作原理，受益颇深。
参考文献
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