用于压力_温度测量的光纤传感器_郑小平.doc

ISSN 100020054 CN 1122223?N 　 　 清华大学学报 (自然科学版) J Tsinghua Univ (Sci Tech), 2000 年 第 40 卷 第 7 期 2000, Vo l. 40, No. 7 20?33 74 76 用于压力、温度测量的光纤传感器 郑小平, 　廖延彪 (清华大学 电子工程系, 北京 100084) 文　摘: 为解决压力传感器的温度稳定性问题, 设计一种压 而实现了温度与压力的同时测量, 进而可以实现压 力温度双参量光纤传感器, 并在理论上分析了从一个敏感晶 力的温度补偿。实验获得理论所预期的结果。 体上分离出温度压力两种信息的可能性。传感器以石英晶体 作为敏感元件, 通过合理安排传感头中各部件, 只需一个敏 1　原　理 感元件就可同时输出两路信号: 一路是弹光效应引起的压 光纤压力温度双参量传感器的传感头结构如图 力信号; 另一路是石英晶体旋光效应的信号。由于旋光效应 1 所示。 与温度有关, 旋光效应的信号可用来反映传感头光路上的温 度。文中给出了实验装置, 实验结果与理论相符。结果显示: 在 90 ℃温度范围内压力的精度可达 0. 1% , 温度的精度为 ± 1 ℃, 已能满足石油计量的要求。 关键词: 压力; 温度; 光纤传感器 中图分类号: TN 29 文献标识码: A (a) 传感头结构 文 章 编 号: 100020054 (2000) 0720074203 　　光纤压力传感器具有不带电、抗电磁干扰、灵敏 度高等优点, 因而在石油化工等行业有着广阔的应 用前景。阻碍光纤压力传感器应用的一个主要原因 是其温度稳定性满足不了高精度计量的要求。如何 解决这个问题, 目前还没有特别满意的办法。普遍采 用的补偿光路[1 ]只能补偿传感头以外的强度漂移或 (b) 传感头光学器件的方位角 者兼顾传感头内部各光学元件透光率的漂移, 对于 图 1　传感头结构简图 传感头附加双折射的温度效应则无能为力。自适应 中心波长为 Κ的光沿 Z 向传输, 起偏器 P、检偏 [2 ], 自主学习法[3 ], 差动法[4 ] 等补偿方 滤波的方法 法, 受到系统光学原理的限制, 难以取得令人满意的 结果。 作者设计了一种压力温度双参量光纤传感器。 器 A 及波片的快轴与 x 轴的夹角分别为 Γ, Η与 - Π?4。设通过起偏器后, 光的电场矢量为 co s Γ E in = , (1) sin Γ 它以石英晶体作为敏感元件, 通过合理安排传感头 则可以利用 Jones 矩阵法得出检偏器出射的光 中各部件, 只需一个敏感元件就可同时输出两路信 [5 ]: 场 号: 一路是弹光效应引起的压力信号; 一路是石英 Eout = J AJ wpJ cryE in , (2) 晶体旋光效应的信号。由于旋光效应与温度有关, 旋 光效应的信号可用来反映传感头光路上的温度, 从 其中 J A , J wp , J cry 分别为检偏器、Κ?4 波片、石英晶 体的 Jones 矩阵。它们可分别表示成 [5, 6 ] 　　收稿日期: 1999205220 　　作者简介: 郑小平(19652) , 男(汉) , 江苏, 讲师 J A = 1 2 2 Η 1 co s sin 2Η 2 sin 2Η sin2 Η , (3)  郑小平, 等: 　用于压力、温度测量的光纤传感器 75 1 i J wp = - i Β K sin 2Θ sin K K 2 , (4) 2Θ sin K + i Β K K 2 sin - K 2 , K 2 (5) i 1 K 2 K 2 co s J cry = co s 其中: Β= 2ΠCF S Κ , K = Β 2+ (2Θ) 2。F 为压力, C 为石英晶体在垂直于光轴方向的压光系数, S 为石 英晶体的受力面积, Θ为石英晶体的旋光角。 实际应用中, 经常采用镀有介质偏振膜的分光 棱镜作为检偏器, 在偏振态相互垂直的两个方向A 和A ′上检测光强, 它们分别为: 2 = co s2 K PA = ?Eout? 2 2 (Η- Γ) + co s 与 Β 即所测压力 F 成正比。 2) Γ= 0, Η= Π , 4 2Θ S = sin K ≈ sin 2Θ, (11) K 0 + 9Θ 由于 Θ= Θ 9t ?t 随温度而变, 故式 (11) 为测温原 理。实验时温度的输出信号最终可表示成 S = sin 2 9Θ 9t ?t , (12) 其中: t 表示温度, ?t 为温度的变化。石英晶体在 Κ = 650 nm 波长处, 有 9Θ - 4?℃. Θ9t= 1. 4× 1