摘 要

光纤温度传感器由于本质安全、抗电磁干扰、体积小等特点而被广泛关注。但是光纤温度传感器探头敏感材料性能的优化，检测灵敏度的提高，结构的优化等问题仍然亟待解决。

本文以解决这些问题入手，以光纤温度传感器的相关理论为基础，介绍了以多光束干涉和F-P腔干涉仪为基础的光纤温度传感器，该传感器以三层膜ZrO₂ / Al₂O₃ / ZrO₂（ZAZ）为膜层传感材料，来对温度进行测量。并搭建了基于白光干涉的光纤温度传感系统，对光纤探头测温性能进行了测试。

根据实验得到的光谱结果表明，在20℃到600℃的范围内，灵敏度达到了3.4×10^-3 nm/℃，同时在一定温度范围内的线性程度较好，同仿真得到的结果相拟合。表明该结构适合用于做低温范围的检测。

关键词： 光纤温度传感器；F-P腔；多光束干涉；光信号处理

Abstract

Optical fiber temperature sensor due to intrinsically safe, anti-electromagnetic interference, small size and other characteristics have been widely concerned. However, the optimization of the performance of the sensitive material of the fiber temperature sensor probe, the improvement of the detection sensitivity and the optimization of the structure are still urgent.

Based on the theory of fiber optic temperature sensor, this paper introduces the fiber temperature sensor based on multi-beam interference and FP cavity interferometer. The sensor is composed of three-layer ZrO₂ / Al₂O₃ / ZrO₂ (ZAZ) Film sensing material to measure the temperature. And the optical fiber temperature sensing system based on white light interference is constructed, and the temperature measurement performance of the fiber optic probe is tested.

According to the experimental results, it is shown that the sensitivity is 5.4 × 10^-3 nm / ℃ in the range of 20 ℃ to 600 ℃, and the linearity is better in a certain temperature range, and the results are in agreement with the simulation results The Suitable for low temperature range detection

Key Words： Optical fiber temperature sensor；F-P cavity；Multi - beam interference；Optical signal processing

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 光纤温度传感器的研究进展及现状 1

1.2.1 光纤传感器研究现状 1

1.2.2 光纤温度传感器的分类 2

1.3 本文主要研究内容 4

第2章 基于敏感薄膜的光纤温度传感器的机理研究 6

2.1 多光束干涉 6

2.1.1 多光束干涉原理介绍 6

2.1.2 基于多光束干涉的仿真 9

2.2 F-P光纤传感器· 10

2.2.1 F-P光纤传感器工作原理 10

2.2.2 F-P光纤传感器的基本分类 10

2.2.3 F-P光纤传感器的信号解调 11

2.3 光纤温度传感器探头的选择 12

2.4 本章小结 13

第3章 光纤温度传感器的测温性能 14

3.1 光纤探头的制备 14

3.2 光纤探头的测温性能测试 15

3.3 本章小结 18

第4章 总结与展望 19

4.1 总结 19

4.2 展望 19

参考文献 21

致 谢 22

绪论

引言

温度是日常生活中的一个重要的物理量，利用温度传感器测定温度方面很早就开始研究，例如现在通用的接触式温度传感器，利用热敏电阻或者热电偶的热学性质进行温度的探测，但是高温环境中很难使用常规的测量方法测得准确的温度值。温度传感器经常需要在高温、高压、高速和腐蚀性的恶劣环境中使用，比如对高温腐蚀性介质，在用接触法进行测量时，由于介质对传感器产生的物理或化学的腐蚀作用，使传感器很快损坏而不能正常工作。又如普通电量温度传感器在电磁环境条件下，由于电磁干扰严重，使测量值偏差很大，甚至严重偏离而不能正常使用。最近兴起的光纤温度传感器，其结构轻便，成本较低，而且因为光纤本身不受射频和其他电磁辐射干扰的影响，不产生电火花并且绝缘性能好等特性，使得光纤温度传感器成为上述恶劣环境下的有效测量手段。

光纤温度传感器的研究进展及现状

光纤传感器研究现状

相比于传统的金属导线，光纤本身由石英玻璃构成，其质量小，可弯曲，占空间少，在面对各种需要检测的环境，能够制成外形不同及各种尺寸的光纤传感器来。而光纤传感器利用光在光纤中传播时振幅，相位，波长等一系列特征参量因为外界环境（温度、湿度、压力、电磁场、物质浓度等）发生的变化，将一系列的物理量通过光纤传输来反映出来。以温度为例，传统的温度传感器主要是将温度的变化通过热电阻或热电偶等热电学器件转化成电参数的改变，通过测定电参数的值从而来测定温度。光纤温度传感器在测量的同时还需要考虑光纤的各种特性比如光纤的传感结构，光纤的耐受温度对测量造成的影响。与其他传统的传感器相比，光纤传感器的主要优点体现在：

1. 高性能

光纤的特性决定了光纤传感器能够抗腐蚀，抗电磁干扰，同时光纤本身不会带来污染和危害。这使得光纤传感器能够有效利用在制造业的各种大型机电，冶金冶炼产业，石油化工产业，军工航海设备中。

1. 灵敏度高

利用基于长光纤与光波干涉技术组成的光纤传感器的灵敏度已经被测试并证实优于普通的传感器。例如在测量温度，湿度，速度，加速度等物理量上有着显著的优势。

1. 其他特点

光纤传感器对测量介质的影响比较小，适用于医学生物方面的检测；同时光纤传感器是目前唯一能够在大范围进行分布式测量的传感器。

光纤传感器按照传输方式可分为传感型和传光型两大类，因为外界因素而引起的光纤中光波各项光参数如振幅，波长，相位改变，来计算测量外界因素的方式，称为传感型（功能型）。这样的传输方式，信息的获取和传输都在光纤中进行；另一种传输方式称为传光式，它在利用现有光纤传感器的基础上添加各项光敏感原件进行测量，能够较好地进行推广应用。

光纤温度传感器的分类

利用光纤传感器测定温度及其变化，已经有几十年的历史，通过不断地改进和优化，目前应用较多的有以下几类型光纤温度传感器。

1. 分布式光纤温度传感器

分布式光纤传感技术最初在20世纪70年代末期提出来的，分布式温度传感器由原理区分，主要可分为基于瑞利散射，布里渊散射以及拉曼散射三个方面。瑞利散射型分布式光纤传感技术和布里渊散射型分布式光纤传感技术都是基于光时域反射（OTDR）技术。瑞利散射型利用光纤的吸收，损耗，瑞利散射系数等参数，来构建外界温度变化和传播光波的偏振态变化之间的关系从而进行实现对温度的测定。对于拉曼散射型光纤温度传感器，纯属光可以分为斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光的光强与温度无光，而反斯托克斯光的光强会随温度变化，利用这一性质能够测定温度，即使光纤随时间老化，光损耗增加，仍然也可以保证测温精度。基于布里渊散射的分布式光纤传感研究则起步比较晚，但是测量精度，测量范围各项指标都优于其他传感技术。主要原理是通过拟合来建立布里渊频移，强度与光纤温度之间的关系^[1]。

1. 光纤荧光温度传感器

光纤荧光温度传感器的原理是利用荧光材料的温度特性（荧光寿命和荧光光强比）测