基于法布里-珀罗腔的光纤温度传感器的设计

滨江学院毕业论文(设计)题目基于法布里-珀罗腔的光纤温度传感器的设计院系电子工程系专业电子科学与技术学生姓名陈如俊学号20072321045指导教师葛益娴职称讲师二Ｏ一一年六月二日目录1引言......................................................................................................12光纤法布里-珀罗腔传感器的基本原理.............................................22.1光纤法布里－珀罗传感器结构.................................................22.2光纤法布里－珀罗温度传感器的干涉原理－多光束干涉.......33.光纤温度传感器的设计....................................................................53.1设计结构...................................................................................53.2模型分析...................................................................................53.3模拟仿真....................................................................................74.解调方法.............................................................................................84.1常用解调方法.............................................................................84.1.1强度解调法.......................................................................84.1.2相位解调...........................................................................94.1.3波长解调.........................................................................114.2双波长解调方法.......................................................................134.3数据处理..................................................................................145．GUI界面..........................................................................................15参考文献...............................................................................................171基于法布里-珀罗腔的光纤温度传感器的设计陈如俊南京信息工程大学电子科学与技术，南京210044摘要：本文主要阐述了以半导体硅为基底，光纤为核心的温度传感器的设计，详细介绍了以法布里-珀罗腔为理论模型的光纤温度传感器的工作原理，利用半导体硅的热光效应，仿真模拟了该传感器的设计参数，提出了用双波长法解调该传感器，利用Matlab软件设计了一个关于光纤温度传感器温度测量线形拟合直线的GUI界面，结果表明该传感器可适用于煤矿等恶劣环境。关键词：光纤，光纤温度传感器，半导体硅，热光效应1引言由于光纤传感器及技术具有较其它传感器无法比拟的特点，所以近几年来，光纤传感器与测量技术发展成为仪器仪表领域新的发展方向，而新型光纤传感器不外乎有以下特点：（1）光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗很小，目前损耗能达到≤0.2dB/km的水平。（2）光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。（3）光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。还具有灵敏度高、可靠性好、原材料硅资源韦富、抗电磁干扰，抗腐蚀、耐高压、电绝缘性能好、可绕曲、防爆、频带宽、损耗低等特点。同时，它还便于与计算机相连，实现智能化和远距离监控。对传统的传感器起到扩展提高的作用，不少情况下能够完成前者很难完成甚至不能完成的仟务。正是由于光纤传感器具有许多独特优势，可以解决许多传统传感器无法解决的问题，故自从它问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各个领域。国内外现已有多种光纤辐射高温计,其中比较典型的是中国科学院西安光学精密机械研究所于1989年12月申请的专利“双波长光纤温度传感器,其由探测光纤连接器、Y型分路集成器、信号处理和显示部分组成具有结构紧凑体积小、成本低、性能高等特点。该传感器可用于高温测量,相对误差小于1%,响应速度为0~10um/ms,可调。值得注意的是,现已2有把红外技术运用于光纤温度传感器,研制红外光纤温度传感器。红外温度传感器能在低温区采用辐射式测量,这样能简化传感器结构,提高测温精度。目前红外温度传感器技术还不十分成熟,国内外研究机构正研制开发这种新型传感器。光纤温度传感器技术领域现今的课题是从改善光纤、光源、检测器电路和制作工艺等方面人手,进一步提高传感器的精度、可靠性并降低成本。今后发展方向是研究开发特殊测温要求的温度传感器。特别是3000℃以上和-250℃以下的超高温和超低温温度传感器并将光纤技术与微处理机相结合,发展数字化、集成化和自动化的光纤温度传感器。2光纤法布里-珀罗腔传感器的基本原理2.1光纤法布里－珀罗传感器结构光纤法布里－珀罗传感器（in-lineFabry-Perotinterferometer,ILFPI）和同轴直径阶梯式光纤法布里－珀罗传感器（Uni-diametertailedtaperedFabry-Perotinterferometer），其系统工作原理与前两种光纤F-P传感系统相似。在线型光纤法－珀传感器的传感头是在两根端面平行的光纤之间焊接一小段空心光纤作为F-P腔实现传感，1995年，J.S.Sirkis等人最早提出这一结构，如图1所示，图中在线F-P腔长约90μm，将同直径的空心光纤与传光光纤用光纤熔接机焊接在一起，形成F-P腔，同直径的光纤保证了腔长和焊接的可靠性。另一种在线型一传感头的制作方法将光纤的一端浸入氢氟酸溶液中，使其端面处腐蚀成中空的光纤，再将该光纤端面放入聚氨酯等有机溶剂中成膜，纤芯被腐蚀掉的光纤坑与附着其上的有机膜形成F-P腔结构。图1在线型光纤法珀传感器结构图图2给出同轴阶梯直径式光纤法一珀传感器结构图：利用与入射和反射光纤同直径的空心光纤作为“准直毛细管”，管内封装一段小芯径光纤与反射光纤端面形成F-P腔，用以感知外界物理量的变化。利用这一小芯径光纤易根据需得要到更小的腔长和保证精确的测量量程。3图2同轴阶梯直径式光纤法－珀传感器结构图以上两种类型的光纤F-P传感器结构制作工艺复杂，但结构设计易精确化、更微型化，较本征型光纤F-P传感器具有更低的温度和压力交叉敏感度，适用于低压环境，诸如海洋水声探测、危险气体泄露探测、发电机和发动机振动等探测测量。2.2光纤法布里－珀罗温度传感器的干涉原理－多光束干涉如图3所示是法布里－珀罗干涉示意图。平面∑、∑ˊ为两个平行的面，∑、∑ˊ之间为空气介质。入射光线S经这两个面多次反射后产生如图的光线径迹图。图上标出各次反射和透射波的振幅。入射波振幅取为1。图3法布里-泊罗干涉示意图当光波自折射率为n1的介质入射到折射率为n2的介质（空气）中时，表面∑的振幅反射系数为r12，相反过程的反射系数为r21。相应的透射系数为t12和t21。对于表面∑ˊ，也有类似的变量r23，r32，t23和t32。所有这些量都是实数。且有如下关系：r12＝－r21，t12t21＝1-r122。首先考虑反射光线R1，R2，R3，…，它们的位相按等差级数变化，公差为42204cosndi，d为空气间隙厚度，即法布里－珀罗腔的腔长。取光线R1的位相作为位相参考点。所有反射光线的合成复振幅是：~223312122123212321232123[1()()]jjjjmrErttrerrerrerre（2.1）方括号内是公比为1223jrre的等比级数。如果平面足够大，反射次数便无限多，这时合振幅（因为r21r23＜1）是2--~1223122312--12231223(1-)11jjjjmrjjjjrrerreErrrerre（2.2）因而反射光强度是22~~1223122322122312232cos12cosmrmrrrrrrIEErrrr（2.3）以上推导出多光束干涉反射光强公式。通过菲涅耳公式我们可以得到：rrR（2.4）ttT（2.5）式(2.4)和(2.5)中R和T代表法布里－珀罗干涉仪光学表面的反射率和透射率，如果不考虑表面对光的吸收，则二者之间存在下列关系：1RT（2.6）222002224sinsin2(1)241sin1sin22(1)rRFRIIIRFR（2.7）002221141sin1sin22(1)tIIIRFR（2.8）式(2.7)、(2.8)被称为爱里(Airy)公式。其中参量F为法布里－珀罗干涉仪的细度，定义为24(1)RFR（2.9）可见，当这些反射或透射光束之间光程差固定且满足相干条件，即发生多光束干涉，且反射光强与透射光强输出与平行平板反射率R有关，反射率越高，多光束干涉的透射光极大值输出越锐利，反射光与之相反。当F-P腔的两个端面反射率非常低时，可以认为R1，且(1-R)2≈1,则有：502(1cos)rIRI（2.10）012(1cos)tIRI（2.11）即反射率R很小时，多光束干涉等效为双光束干涉，其干涉光强随位相改变呈余弦变化形式。但是，光强的最大值和最小值仅有相位差φ决定，与R无关，且反射光强最小值出现在φ＝2kπ的位置，最大值出现在φ＝(2k+1)π的位置，其中k为整数；透射光强分布正好相反。光纤F-P腔干涉传感器是基于这种多光束干涉原理上，利用空气隙或光纤本身作为F-P腔的光纤F-P传感头，在感知外界温度、从而引起干涉光强发生变化，达到传感目的。一般，通过检测F-P干涉的反射光强变化来实现传感，因为反射光探测只需要单根传输光纤，并且即使在F-P腔界面的反射率很低时，反射光强都具有很高干涉对比度3.光纤温度传感器的设计3.1设计结构图4是光纤温度传感器的结构示意图，利用刻蚀的单晶硅膜作为温度敏感材料与固定光纤的陶瓷插针用环氧树脂紧密黏结，光通过单模光纤耦合进单晶硅膜，光在单晶硅膜上下表面之间来回反射形成干涉，部分光反射回光纤。根据硅的热光效应，反射回光纤的干涉光强随着温度所致的单晶硅折射率变化，因此测量光强反射率的变化就可以测量单晶硅膜温度的变化。3.2模型分析单晶硅膜的热光系数可以表示为[5]：SinglecrystalsiliconEpoxideresinCeramicsocketSinglemodeopticalfiber（SMF）图4光纤温度传感器示意图6222212(1)(3)egig