張森

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 光電子技術(shù)專業(yè)，湖北 武漢 430074)

關(guān)于遮光式光纖溫度傳感器探頭一致性的研究

張森

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 光電子技術(shù)專業(yè)，湖北 武漢 430074)

探究了一種應(yīng)用于消防溫度探測(cè)的光纖溫度傳感器探頭一致性的工藝改良方案。相對(duì)于傳統(tǒng)溫度測(cè)量方法，遮光式光纖溫度傳感器具有更廣泛的使用前景，成本低廉、測(cè)溫結(jié)果可靠。經(jīng)過(guò)改良后的光纖溫度傳感探頭制作工藝將顯著提高傳感探頭的一致性，利于遮光式光強(qiáng)度調(diào)制型溫度傳感器的大規(guī)模系統(tǒng)組裝，使得其應(yīng)用前景得到了拓展。

溫度探測(cè)；探頭一致性；強(qiáng)度調(diào)制；光纖傳感器；光纖溫度傳感器

0 引 言

溫度是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)被觸發(fā)的重要物理量之一，傳統(tǒng)溫度測(cè)量多使用熱敏電阻、熱電偶等溫度傳感器。但是傳統(tǒng)溫度測(cè)量方法具有很大的局限性，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法以電信號(hào)為工作基礎(chǔ)，在遇到強(qiáng)電磁干擾、易燃、易爆等環(huán)境時(shí)，其安全性、信號(hào)的穩(wěn)定性等方面受到較大的限制[1]。而光纖的抗電磁干擾能力、組網(wǎng)方便使得光纖溫度傳感器具有更為有效的溫度測(cè)量能力。

聚合物光纖傳感器使用聚合物光纖構(gòu)成的傳感器，目前有過(guò)報(bào)道的聚合物光纖傳感器有：安全檢測(cè)傳感器、濕度傳感器、生物傳感器、化學(xué)傳感器、氣體傳感器等。遮光式光纖溫度傳感器是利用聚合物光纖來(lái)傳感和測(cè)量溫度的強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器[1-3]。

遮光式強(qiáng)度調(diào)制型光纖溫度傳感器是一種成本較為低廉，測(cè)溫結(jié)果可靠且便于大規(guī)模系統(tǒng)組裝的消防溫度探測(cè)器件。本文主要研究了提高遮光式光纖溫度傳感探頭一致性的方法，利于遮光式光纖溫度傳感器在消防測(cè)溫應(yīng)用中有更為穩(wěn)定的探測(cè)結(jié)果。

1 遮光式光纖溫度傳感器原理

對(duì)于多模光纖，光纖出射端的場(chǎng)強(qiáng)分布由下式給出[4]：

(1)

式中I0為光源耦合入出射光纖的光強(qiáng)；Θ(r,x)為(r，x)處的光通量密度；σ為表征光纖折射率分布的參數(shù)；a為纖芯半徑；ζ是與光源及光源光纖耦合情況相關(guān)的調(diào)制參數(shù)；θm為光纖的最大出射角。

接收光纖接收到的光強(qiáng)可表示為(假設(shè)經(jīng)過(guò)反光面反射不造成能量損失)：

(2)

其中s為接收端未被雙金屬片擋住部分的面積，μ為光從出射光纖進(jìn)入空氣中反射回接受光纖時(shí)的能量損失系數(shù)。

當(dāng)傳感探頭所處的溫場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，雙金屬片由于熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生彎曲，遮光部分增大或減小將引起s發(fā)生變化，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器將形變引起的接收端光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電壓變化值，就可以探測(cè)到傳感探頭所處環(huán)境的溫度變化情況[5]。

2 傳感探頭結(jié)構(gòu)

傳感探頭使用的是低損耗點(diǎn)在650 nm波長(zhǎng)處的塑料光纖作為入射光纖和接收光纖。

傳感探頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示。遮光式傳感器的光纖探頭由兩根光纖組成，在探測(cè)端面安裝有“7”字形雙金屬片，當(dāng)雙金屬片未發(fā)生形變時(shí)，“7”字形雙金屬片端面正好與兩根光纖端面中點(diǎn)齊平；在距光纖端面7 cm處通過(guò)鋁管固定有表面鍍鋁的反光面(如圖1所示)。

圖1 溫度傳感探頭結(jié)構(gòu)圖

3 工藝改進(jìn)方案

制作遮光式光纖溫度傳感器時(shí)，盡量選用工業(yè)加工精細(xì)的雙金屬片作為傳感部件，然而仍然無(wú)法保證傳感探頭的一致性，這對(duì)于大規(guī)模組網(wǎng)測(cè)溫系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不利的，因此有必要對(duì)提高遮光式光纖溫度傳感器探頭的一致性的相關(guān)工藝條件進(jìn)行研究。

對(duì)于遮光式光纖溫度傳感探頭來(lái)說(shuō)，其核心部件是具有不同熱膨脹系數(shù)的雙金屬片。雙金屬片由于工業(yè)加工工藝的原因，表面可能存在毛刺，故考慮對(duì)雙金屬片進(jìn)行微波去毛刺處理；另外過(guò)于光滑的雙金屬片表面，容易造成部分光返回到傳感光纖內(nèi)，影響溫度探頭的一致性，因此考慮對(duì)雙金屬片的擋光面進(jìn)行涂黑處理。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)所用光源為532 nm波段的LED光源，傳感光纖為內(nèi)徑1 mm， 外徑2.2 mm的多模塑料光纖。根據(jù)提出的改進(jìn)方案， 提

出了如下探頭制作方案并進(jìn)行溫場(chǎng)測(cè)試，以期得到不同制作條件下探頭的一致性，提出遮光式光纖溫度傳感探頭制作的最佳工藝方案。(所有探頭都在21.5 ℃恒濕環(huán)境下制作，所用壓塊均進(jìn)行去毛刺處理。

(1)不做任何處理；(2)微波10 s；(3)微波20 s；(4)微波30 s；(5)擋光面涂黑；(6)微波20 s+擋光面涂黑；(7)微波30 s+擋光面涂黑。

試驗(yàn)系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)范圍為25 ℃～65 ℃，將溫度探頭置于溫度場(chǎng)中。為了準(zhǔn)確標(biāo)定和測(cè)量溫度場(chǎng)中測(cè)量點(diǎn)的溫度變化，將一條DS18B20與系統(tǒng)溫度探頭完全接觸放置于溫場(chǎng)中。溫度場(chǎng)緩慢升溫時(shí)，DS18B20將與溫度探頭所處的溫度相同，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感探頭的標(biāo)定。分別對(duì)25 ℃、53 ℃、65 ℃環(huán)境溫度下，接收光纖傳導(dǎo)到PD而采集的電壓值進(jìn)行測(cè)量。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將采集到的電壓值轉(zhuǎn)換成升溫28 ℃(25 ℃升溫至53 ℃)和升溫40 ℃(25 ℃升溫至65 ℃)時(shí)，光電探測(cè)器接收到的電壓變化值(單位：mV)ΔV1和ΔV2如表1所示。

表1 溫度變化引起的探頭返回的電壓值變化

根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算出各制作工藝條件下器件的電壓變化ΔV1和ΔV2一致性，得到表2。

由表2可知微波處理器件ΔV1一致性均好于不做處理器件；微波10 s器件由于處理時(shí)間過(guò)短，對(duì)雙金屬片表面毛刺未清理完全且雙金屬片受熱彎曲程度不同，導(dǎo)致ΔV1一致性在微波器件中(b、c、d、f、g工藝條件處理器件)是最差的；其中微波20 s的器件(c、f工藝條件處理器件)ΔV1和ΔV2一致性都是最好的。

表2 器件的ΔV1和ΔV2一致性

涂黑處理器件的一致性也好于不做處理器件，而微波30 s后涂黑處理的器件卻比僅作涂黑處理器件的一致性要差，可能原因是微波時(shí)間過(guò)長(zhǎng)使得雙金屬片彎曲程度過(guò)高。

微波20 s后涂黑處理器件的一致性(溫度變化28 ℃時(shí))好于僅作微波20 s處理或涂黑處理的器件，因此為探頭制作的最好工藝條件。

取ΔV1和ΔV2的均值作為升溫28 ℃和升溫40 ℃時(shí)，器件的平均電壓值，可以得到器件的溫度一致性如表3所示。

表3 器件的溫度一致性

6 結(jié)束語(yǔ)

雙金屬片進(jìn)行微波處理能夠提高溫度探頭的一致性；

微波時(shí)間不能過(guò)短也不能過(guò)長(zhǎng)，以20 s為最好；

對(duì)擋光面進(jìn)行涂黑處理能夠提高溫度探頭的一致性，其效果優(yōu)于微波處理效果；

對(duì)微波后的雙金屬片進(jìn)行擋光面涂黑處理的器件有優(yōu)于僅作微波處理器件的一致性。

綜上所述，探頭制作的最好工藝條件總結(jié)為以下四點(diǎn)：

(1)恒溫恒濕環(huán)境

(2)壓塊去毛刺

(3)微波20 s

(4)對(duì)雙金屬片擋光面進(jìn)行涂黑處理

經(jīng)過(guò)該工藝處理的光纖傳感探頭的溫度靈敏度可達(dá)±1.13 ℃～±1.62 ℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于消防測(cè)溫的溫度靈敏度要求(±3 ℃)。該型光纖溫度傳感器應(yīng)用范圍廣，可針對(duì)不同應(yīng)用情景設(shè)計(jì)，如應(yīng)用于糧庫(kù)糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

[1] 劉延冰.電子式互感器原理、技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京:科學(xué)出版社,2009.

[2] G EMILIYANOV. Multi-antibody biosensing with topas microstructured polymer optical fiber[J].Proceeding of OFS,2008(9):16-19.

[3] 曲欣,白一鳴,王博,等.聚合物偶極子天線型光纖電場(chǎng)傳感器[J].光電子·激光,2011,22(2):22-25.

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A Research on the Probe Consistency of the Shading Fiber Optic Temperature Sensor

Zhang Sen

(Photoelectric Technique Speciality, Wuhan Vocational College, Wuhan Hubei 430074, China)

This paper explores a process improvement scheme for the consistency of the fiber optic temperature sensor applied to temperature testing in firefighting. As compared with conventional temperature measurement methods, shading fiber optic temperature sensor has broader application prospects. This method has a low cost and can give reliable temperature measurement results. The improved production process of the fiber optic temperature sensor probe will remarkably improve the consistency of the sensing probe and facilitate large-scale system assembling of the shading light intensity modulation type of temperature sensors, thus expanding its application prospect.

temperature detecting；probe consistency；intensity modulation；fiber optic sensor；optical fiber temperature sensor

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.035

TP212.11

A

1000-3886(2017)02-0113-03

張森(1973- )，男，湖北荊門人，副教授，碩士生，研究方向?yàn)楣饫w傳感技術(shù)和新材料。

定稿日期: 2016-09-01