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快速响应光纤光栅温度传感器研究

摘要

光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating，FBG）作为光纤传感器件，较传统的电信号

传感器具有高绝缘、高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀以及便于复用和组网、能在各种复

杂恶劣环境下使用等优点；光纤布拉格光栅传感器可用于测量多种物理参量，如温度、

振动、压力、应变等参量，广泛应用于环境勘探、水利电力、道路建筑、航天航空、科

学研究等领域。尽管具有多种优点，但是光纤传感器遭受破损的风险却很高，因为光纤

材质为二氧化硅，纤细的尺寸使其较为脆弱易断。使用前需要进行保护封装，封装后的

传感器温度响应时间会受到影响，因此，本文目标是根据不同温度测量环境设计两种适

用的快速响应温度传感器，探讨FBG传感器封装方法以及光纤光栅温度传感器实时温

度检测系统的开发。具体的研究工作涉及以下几个方面：

（1）总结国内外FBG温度传感器封装现状，针对现有的光纤光栅温度传感器响应

速度慢的问题展开研究，分析影响FBG温度传感器响应速度的因素，包括传感器尺寸、

材料、外界流速影响方面，在两种不同外界环境分别对封装方式进行改进。

（2）研制了应用于低热容有流速（如空气）环境下的FBG温度传感器，分析了外

界流体流速对传感器温度响应时间的影响，从创新封装角度设计制作出快速温度响应

FBG温度传感器，包括仿真验证以及实验测试，结果证明设计的传感器结构具有良好的

温度响应特性，温度响应时间可低至100ms。

3FBG

（）研制了应用于高热容（如液体）环境下的温度传感器，分析了传感器温

度响应速度受传感器封装以及填充材料的影响，设计制作出快速温度响应FBG温度传

感器，包括仿真验证以及实验测试，结果证明所设计的传感器可以达到134ms的温度

响应时间。

4Labview

（）最后，运用图形化编程语言开发了实时温度监测测界面系统。便于

实际工程中的应用。这项工作为扩大和深化光纤光栅温度传感器的使用以及探索其潜在

应用奠定了方法和实验基础。

关键词：光纤光栅，温度监测，响应时间，上位机监测

快速响应光纤光栅温度传感器研究

Abstract

FiberBragggratings(FBGs)areopticalfibersensorsthatoffermanyadvantagesover

traditionalelectricalsignalsensorsintermsofhighinsulation,highsensitivity,

electromagneticinterferenceresistance,corrosionresistance,easeofreuseandnetworking,

andsuitabilityforuseincomplexandharshenvironments.FBGsensorscanbeusedto

measurevariousphysicalparameterssuchastemperature,vibration,pressure,andstrain,and

arewidelyusedinareassuchasenvironmentalexploration,waterresourcesandhydropower,

roadconstruction,aerospace,andscientificresearch.However,fiberopticsensorsarehighly

susceptibletodamageduetotheirsilicamaterial,whichisfragileandcaneasilybreakdueto

itssmallsize.Thus,protectivepackagingisnecessarybeforeuse,whichcanaffe