1．目的及意义

温度传感器是利用物体某特性（如体积、电阻、热辐射等）随温度变化的规律，通过检测该特性的变化量来测量温度的传感器。根据温度测量原理的不同，可将电类温度传感器分为膨胀式、压力式、电阻式、热电动势类、热辐射式等。根据使用方式的不同，可将温度传感器分为接触式和非接触式两类。接触式测量法是将感温部分置于温度场中，等传感器达到热平衡之后再进行测量的方法。非接触测温法是通过探测物体的热辐射信号而进行测量的方法，传感器不用置于温度场中。目前，航空、航天、化工、冶金等领域对高温探测的需求越来越多，同时对测量范围、探测精度、响应速度、使用寿命等指标的要求也越来越高。热电偶探测器是现在市场上使用很广泛的一类温度探测器，虽然多个热电偶探测器配合使用可以做到测量范围很广，但单个探测器测量范围却受限，并且超高温区探测器寿命极短，所以这类传感器无法满足要求。

光纤传感技术自上世纪 70 年代以来得到了快速的发展，为了测量温度、应力、压力、电磁场、流速、震动、加速度、折射率等物理参数，也产生了不同的结构和原理。其中用于温度传感的多种传感机理陆续被提出，如荧光温度传感器、拉曼散射温度传感器、布里渊散射温度传感器、布拉格光纤光栅温度传感器、光纤法珀温度传感器以及长周期光纤光栅温度传感器。这些传感器的测量精度普遍较高，但因石英光纤耐高温的极限为1200℃，所以它们的测温范围也有限。

蓝宝石材料主要成份是三氧化二铝，具有熔点高（2040℃）、硬度高、抗腐蚀、抗电磁干扰、性能稳定等优点。由该材料制作的蓝宝石光纤，既有上述这些优点，还兼具有光纤的特点。现在蓝宝石光纤在高温领域的应用已经很多，主要有蓝宝石光纤黑体辐射、蓝宝石光纤光栅、蓝宝石光纤法珀腔三种测高温的方法。其中利用蓝宝石光纤和蓝宝石晶片制作的法珀传感器，从材料来说可以达到测量高温的要求，从法珀结构来说可以达到高精度的要求，在高温、高腐蚀、高电磁的环境中有不可替代的作用。

本项目旨在研究制作一种基于蓝宝石光纤和蓝宝石晶片的光纤法珀高温传感器。这种传感器既能提高测量精度，又能扩大测量范围和使用寿命，在工业生产和航天航空中将会有非常好的发展前景。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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本实验目的是探究光纤法珀传感器的传感原理和解调方法，在此基础上设计制作一种由蓝宝石光纤和蓝宝石晶片组成的法珀高温传感器，并通过相应的高温测量实验，检验传感器的性能。拟制作一种基于蓝宝石晶片的蓝宝石光纤法珀高温传感器。利用蓝宝石晶体物理化学性质稳定、高熔点以及耐腐蚀的特性，采用两面抛光的蓝宝石晶片作为法珀干涉仪，用蓝宝石光纤来接收、传输干涉信号，实现２０℃～１０００℃的温度测量。

首先概括分析高温传感器的现状，指出了蓝宝石光纤高温传感器和法珀温度传感器的优势所在，并总结各类高温传感器在国内外的一些研究及成果。介绍光纤法珀传感器的结构和干涉原理，然后基于干涉原理详细列举几种常见的解调方法，指出各解调方法的问题所在，最后通过对非本征型法珀干涉（EFPI）传感器的理论分析，得出 MMF-EFPI 传感器准确的工作机制。

已有的主要解调方法分为强度解调法和光谱解调法。强度解调法利用小半个周期内波长与强度之间近乎线性的关系进行解调，成本低，信号处理简单，但易受光源波动与传输损耗影响。光谱解调法利用采集的干涉光谱获取腔长信息，对实验设备要求不高，又可分为条纹计数法，傅里叶变换法，互相关解调法，最小均方差算法等。条纹计数法的计算公式简单，易于实现，但峰值点定位模糊，误差在μｍ 级；傅里叶变换法可以快速提取到腔长信息，腔长动态范围大，但准确度有限制。基于快速傅里叶变换法，2008年提出的利用三次样条插值，可使从光波长域转换到光频率域的信号采样均匀，解调误差控制在 0.06μｍ以内；傅里叶变换法也可以用于法珀传感器复用解调中，利用最小二乘法或线性回归法估计瞬时相位，解调准确度可以提高到3nm；互相关解调算法利用互相关公式计算，乘积最大时对应的腔长估计值作为解调结果，解调分辨率可达到0.25ｎｍ，但是存在动态范围和准确度相互制约的问 题；基于最小均方差的腔长解调算法，利用具有最小均方差的估计值描述实际腔长可信度最高的数学意义完成解调，分辨率可达0.18nm，但动态范围小，在实际传感器解调应用中受限；也曾有人提出傅里叶变换和最小均方差的联合算法，在设定区间内利用腔长估计值逐个求取均方差值，只会出现单谷点，算法可以达到0.084nm高分辨率和3mm的解调范围，但是一系列腔长估计值逐个模拟干涉光谱与原始信号计算均方差，运算量庞大，完成一次光谱解调需要二十几秒，不适合实时监测解调。

本文提出Fibonacci－ 最小均方差（Fibonacci－MMSE）的联合算法，利用Fibonacci搜索方法按比例快速搜索极值点，克服了原始最小均方差算法中计算量大，解调慢的问题。仿真分析了联合算法用于F-P传感器解调的可行性，温度实验结果表明联合算法可用于绝对腔长解调，分辨率为0.15ｎｍ，解调速度快。

针对蓝宝石晶体的光学及温度特性进行分析，研究光纤法珀温度传感理论，并基于其建立蓝宝石光纤法珀高温传感器的干涉信号耦合模型，研究温度敏感元件蓝宝石晶片的温度特性，最终设计优化传感器光学参数及制作工艺，构建蓝宝石光纤法珀高温传感器解调系统，分析传感系统干涉光谱信号特性，最终提出基于干涉光谱的相位分析解调算法，仿真分析蓝宝石光纤法珀高温传感器的法珀腔腔长及信噪比对温度解调结果的影响。