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利用光纤测量温度是七十年代开始发展起来的一种新型测温技术。与传统的温度传感器相比,利用光纤测量温度具有很多优点:抗电磁干扰,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,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。基于光纤弯曲损耗的温度传感器是光纤温度传感器的一种,具有测温简单、易于制作、成本低、动态测温和高测温灵敏度等优点,在航空航天、易燃易爆的恶劣环境下具有很广泛的应用前景。
本文从理论模型、器件的研制、测量和封装等方面对基于弯曲损耗的光纤温度传感器进行了研究。主要研究工作如下:
1、利用WKB法求解非均匀直光纤的传播模数,创新性的将弯曲光纤的有效折射率、弯曲光纤截止传播常数和光纤的热光效应同时引入到非均匀直光纤有效传播模数中来,推导出多模弯曲光纤内的有效传播模数,进而得到弯曲损耗与弯曲半径、环境温度的关系。
2、利用保角变换法对弯曲光纤的有效折射率分布进行分析,并利用Matlab计算和模拟光纤的弯曲损耗与弯曲半径、环境温度的关系。
3、选择多模渐变型光纤(GIMM62.5/125um)和半径不同的铜棒,利用光纤胶和热缩管固定光纤,研制出基于弯曲损耗的光纤温度传感器。
4、自行组建了光纤温度传感器测试系统,它包括可调谐激光器、真空干燥箱和光功率计。利用该系统测量得到温度传感器的临界弯曲半径Re=4.mm,测温灵敏度为0.1/℃,测温范围为10℃~70℃。测试结果表明:在弯曲半径大于临界弯曲半径,其他条件一定的情况下,输出光强随弯曲半径的增大而增强;在两临界温度内,其他条件一定的情况下,输出光强随环境温度的升高而线性增强。
5、对该传感器的封装进行了设计。将传感器固定在金属细管内,利用光纤导热胶填充金属细管,不仅将外界温度完整传递到传感器,而且解决了传感器封装结构的抗压、抗震等性能的要求。