张森

(武汉职业技术学院 光电子技术专业，湖北 武汉 430074)

关于遮光式光纤温度传感器探头一致性的研究

张森

(武汉职业技术学院 光电子技术专业，湖北 武汉 430074)

探究了一种应用于消防温度探测的光纤温度传感器探头一致性的工艺改良方案。相对于传统温度测量方法，遮光式光纤温度传感器具有更广泛的使用前景，成本低廉、测温结果可靠。经过改良后的光纤温度传感探头制作工艺将显著提高传感探头的一致性，利于遮光式光强度调制型温度传感器的大规模系统组装，使得其应用前景得到了拓展。

温度探测；探头一致性；强度调制；光纤传感器；光纤温度传感器

0 引 言

温度是火灾报警系统被触发的重要物理量之一，传统温度测量多使用热敏电阻、热电偶等温度传感器。但是传统温度测量方法具有很大的局限性，这是因为传统方法以电信号为工作基础，在遇到强电磁干扰、易燃、易爆等环境时，其安全性、信号的稳定性等方面受到较大的限制[1]。而光纤的抗电磁干扰能力、组网方便使得光纤温度传感器具有更为有效的温度测量能力。

聚合物光纤传感器使用聚合物光纤构成的传感器，目前有过报道的聚合物光纤传感器有：安全检测传感器、湿度传感器、生物传感器、化学传感器、气体传感器等。遮光式光纤温度传感器是利用聚合物光纤来传感和测量温度的强度调制型光纤传感器[1-3]。

遮光式强度调制型光纤温度传感器是一种成本较为低廉，测温结果可靠且便于大规模系统组装的消防温度探测器件。本文主要研究了提高遮光式光纤温度传感探头一致性的方法，利于遮光式光纤温度传感器在消防测温应用中有更为稳定的探测结果。

1 遮光式光纤温度传感器原理

对于多模光纤，光纤出射端的场强分布由下式给出[4]：

(1)

式中I0为光源耦合入出射光纤的光强；Θ(r,x)为(r，x)处的光通量密度；σ为表征光纤折射率分布的参数；a为纤芯半径；ζ是与光源及光源光纤耦合情况相关的调制参数；θm为光纤的最大出射角。

接收光纤接收到的光强可表示为(假设经过反光面反射不造成能量损失)：

(2)

其中s为接收端未被双金属片挡住部分的面积，μ为光从出射光纤进入空气中反射回接受光纤时的能量损失系数。

当传感探头所处的温场发生变化时，双金属片由于热膨胀系数不同产生弯曲，遮光部分增大或减小将引起s发生变化，通过光电转换器将形变引起的接收端光强变化转换为电压变化值，就可以探测到传感探头所处环境的温度变化情况[5]。

2 传感探头结构

传感探头使用的是低损耗点在650 nm波长处的塑料光纤作为入射光纤和接收光纤。

传感探头的结构如图1所示。遮光式传感器的光纤探头由两根光纤组成，在探测端面安装有“7”字形双金属片，当双金属片未发生形变时，“7”字形双金属片端面正好与两根光纤端面中点齐平；在距光纤端面7 cm处通过铝管固定有表面镀铝的反光面(如图1所示)。

图1 温度传感探头结构图

3 工艺改进方案

制作遮光式光纤温度传感器时，尽量选用工业加工精细的双金属片作为传感部件，然而仍然无法保证传感探头的一致性，这对于大规模组网测温系统来说是不利的，因此有必要对提高遮光式光纤温度传感器探头的一致性的相关工艺条件进行研究。

对于遮光式光纤温度传感探头来说，其核心部件是具有不同热膨胀系数的双金属片。双金属片由于工业加工工艺的原因，表面可能存在毛刺，故考虑对双金属片进行微波去毛刺处理；另外过于光滑的双金属片表面，容易造成部分光返回到传感光纤内，影响温度探头的一致性，因此考虑对双金属片的挡光面进行涂黑处理。

4 实验设计

实验所用光源为532 nm波段的LED光源，传感光纤为内径1 mm， 外径2.2 mm的多模塑料光纤。根据提出的改进方案， 提

出了如下探头制作方案并进行温场测试，以期得到不同制作条件下探头的一致性，提出遮光式光纤温度传感探头制作的最佳工艺方案。(所有探头都在21.5 ℃恒湿环境下制作，所用压块均进行去毛刺处理。

(1)不做任何处理；(2)微波10 s；(3)微波20 s；(4)微波30 s；(5)挡光面涂黑；(6)微波20 s+挡光面涂黑；(7)微波30 s+挡光面涂黑。

试验系统温度调节范围为25 ℃～65 ℃，将温度探头置于温度场中。为了准确标定和测量温度场中测量点的温度变化，将一条DS18B20与系统温度探头完全接触放置于温场中。温度场缓慢升温时，DS18B20将与温度探头所处的温度相同，从而实现对传感探头的标定。分别对25 ℃、53 ℃、65 ℃环境温度下，接收光纤传导到PD而采集的电压值进行测量。

5 实验结果及分析

将采集到的电压值转换成升温28 ℃(25 ℃升温至53 ℃)和升温40 ℃(25 ℃升温至65 ℃)时，光电探测器接收到的电压变化值(单位：mV)ΔV1和ΔV2如表1所示。

表1 温度变化引起的探头返回的电压值变化

根据以上数据计算出各制作工艺条件下器件的电压变化ΔV1和ΔV2一致性，得到表2。

由表2可知微波处理器件ΔV1一致性均好于不做处理器件；微波10 s器件由于处理时间过短，对双金属片表面毛刺未清理完全且双金属片受热弯曲程度不同，导致ΔV1一致性在微波器件中(b、c、d、f、g工艺条件处理器件)是最差的；其中微波20 s的器件(c、f工艺条件处理器件)ΔV1和ΔV2一致性都是最好的。

表2 器件的ΔV1和ΔV2一致性

涂黑处理器件的一致性也好于不做处理器件，而微波30 s后涂黑处理的器件却比仅作涂黑处理器件的一致性要差，可能原因是微波时间过长使得双金属片弯曲程度过高。

微波20 s后涂黑处理器件的一致性(温度变化28 ℃时)好于仅作微波20 s处理或涂黑处理的器件，因此为探头制作的最好工艺条件。

取ΔV1和ΔV2的均值作为升温28 ℃和升温40 ℃时，器件的平均电压值，可以得到器件的温度一致性如表3所示。

表3 器件的温度一致性

6 结束语

双金属片进行微波处理能够提高温度探头的一致性；

微波时间不能过短也不能过长，以20 s为最好；

对挡光面进行涂黑处理能够提高温度探头的一致性，其效果优于微波处理效果；

对微波后的双金属片进行挡光面涂黑处理的器件有优于仅作微波处理器件的一致性。

综上所述，探头制作的最好工艺条件总结为以下四点：

(1)恒温恒湿环境

(2)压块去毛刺

(3)微波20 s

(4)对双金属片挡光面进行涂黑处理

经过该工艺处理的光纤传感探头的温度灵敏度可达±1.13 ℃～±1.62 ℃,远远低于消防测温的温度灵敏度要求(±3 ℃)。该型光纤温度传感器应用范围广，可针对不同应用情景设计，如应用于粮库粮情监测系统等。

[1] 刘延冰.电子式互感器原理、技术及应用[M]. 北京:科学出版社,2009.

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

[3] 曲欣,白一鸣,王博,等.聚合物偶极子天线型光纤电场传感器[J].光电子·激光,2011,22(2):22-25.

[4] K S C KUANG,W J CANTWELL,P J SCULLY. An evaluation of a novel plastic optical fibre sensor for axial strain and bend measurements[J]. Meas. Sci. Technology,2002,(13):1523-1534.

[5] LIU Y, ZHANG L,BENNION I. Fibre optic load sensors with high transverse strain sensitivity based on long-period gratings in b/ge co-doped fibre[J]. Electronics Letters, 1999,(35):661-663.

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

张森(1973- )，男，湖北荆门人，副教授，硕士生，研究方向为光纤传感技术和新材料。

定稿日期: 2016-09-01