光纤宏弯曲损耗与温度传感的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.15MB 45 页 15积分

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文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律责任由本人承担。

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年月日

摘要

和传统的温度传感器相比，光纤温度传感器一般来说灵敏度高, 检测速度快,

动态范围大, 结构更为简单, 探头的体积也更小, 很容易改变探测区域。光纤温

度传感器现阶段在我们的生活中的已经有了非常多的实际应用。

其中，基于光纤宏弯曲损耗的光纤温度传感器的结构简单、体积小、成本低

廉、方便测量且不需要对信号进行解调。但是遗憾的是我国国内关于基于光纤弯

曲损耗的光纤温度传感器的研究相当少，现有的大部分研究是对光纤的弯曲损耗

和输入的波长、光纤的弯曲半径等形态变化以及缠绕的匝数和光纤参量等的关系

等进行研究分析。在此背景下，对光纤的宏弯曲损耗与温度传感之间的研究就有

一定的意义和实用价值。

本文是在对光纤的宏弯曲损耗的理论进行详细分析的基础上，引入了环境变

量，推导出光纤的宏弯曲损耗与温度传感之间的联系；不仅模拟分析了弯曲损耗

与传统变量之间的关系曲线图，还有单模光纤和多模光纤与温度之间的关系曲线，

并通过实验来进行验证，得到与理论模型相一致的结论；对于基于光纤的宏弯曲

损耗的温度传感器系统进行初步的设计和探讨结合光时域反射计(OTDR)来进行的

分布温度测量的可行性。

本文对于基于光纤的宏弯曲损耗的温度传感器的传感单元进行了初步的研究，

对于结合 OTDR 的分布式温度传感测量系统，提出了一些设计思想，对于基于光

纤弯曲损耗的温度传感系统的研究有一定的理论指导意义。

关键词：光纤弯曲损耗温度光纤传感

ABSTRACT

Compared to traditional temperature sensors, optical fiber temperature sensors own

generally higher sensitivity, higher detection speed, broader dynamic range, simpler

structure, smaller volume of the probe, and it is easy to change the detection zone.

Optical fiber temperature sensors have been a lot of practical application in our lives at

the present stage.

Optical fiber temperature sensors based on the fiber macro-bending loss have a

series of advantages: simple structure, small size, low cost, easy measurement and not

to demodulate the signal. But unfortunately, there is few scholars’ research the optical

fiber temperature sensor based on the fiber macro-bending loss in our country. The most

of the existing researches are about the relation of the fiber bending loss and the input

wavelength, the morphological changes of the fiber bending radius, winding turns and

the fiber parameters. Under the circumstances, there is a certain significance and

practical value in researching the fiber macro bending loss and temperature sensors.

This article is based on detailed analysis of the theory of fiber macro-bending loss,

then introduce the environment variables, and to derive the relation between the optical

fiber macro bending loss and temperature sensors; The relations diagram between the

bending loss and the traditional variables has been drawn up simulate, and the graph of

the single-mode fiber, multimode fiber and temperature have also been protracted. Then

certificate it through experiments, the results are concordant with theoretical model

conclusions; Temperature sensor system based on macro bending loss has been

preliminary design, which combines with optical time domain reflect meter (OTDR) to

research on Feasibility of temperature measurement.

The sensor unit of optical fiber temperature sensor based on the fiber

macro-bending loss has been researched primarily in this article, and some design ideas

have been advanced on the base of the distributed temperature sensing system which is

combining OTDR, They are used for the study of temperature sensing system based on

fiber macro-bending loss.

Key Word：Optical fiber, bending loss, temperature, optical fiber

sensor

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................... 1

§1.1 引言 ..................................................... 1

§1.2 光纤温度传感器的原理阐述和现阶段的最新研究情况 ........... 2

§1.3 论文的主要研究内容及意义 ................................. 4

第二章光纤温度传感器的基础理论 .................................. 5

§2.1 光纤的基本特性 ........................................... 5

§2.1.1 光纤的物理化学特性 ................................... 5

§2.1.2 光纤的机械特性 ....................................... 6

§2.1.3 光纤的光学特性 ....................................... 6

§2.2 光纤的传输特性 ........................................... 7

§2.2.1 光纤的损耗 ........................................... 7

§2.2.2 光纤的色散 ........................................... 8

§2.3 单模、多模光纤和光纤的模式理论 ........................... 9

§2.4 本章小结 ................................................ 10

第三章光纤宏弯曲损耗与温度的关系 ............................... 11

§3.1 单模光纤宏弯曲损耗与温度的关系 .......................... 11

§3.1.1 单模光纤宏弯曲损耗与温度关系的理论模型 .............. 12

§3.1.2 单模光纤宏弯曲损耗与温度关系的仿真和分析 ............ 16

§3.2 多模光纤宏弯曲损耗与温度关系的仿真和分析 ................ 19

§3.2.1 多模光纤宏弯曲损耗与温度关系的理论模型和仿真 ........ 19

§3.2.2 多模光纤宏弯曲损耗的测温范围和测温灵敏度 ............ 22

§3.3 本章小结 ................................................ 23

第四章光纤宏弯曲损耗与温度传感的实验 ........................... 24

§4.1 实验器材的介绍 .......................................... 24

§4.1.1 光源的选择 .......................................... 24

§4.1.2 光功率计的选择 ...................................... 24

§4.1.3 温度计的选择 ........................................ 25

§4.2 实验装置及实验 .......................................... 25

§4.2.1 光纤宏弯曲损耗实验装置 .............................. 25

§4.2.2 光纤宏弯曲损耗与温度传感的实验装置 .................. 27

§4.3 本章小结 ................................................ 30

第五章基于光纤宏弯曲损耗的温度传感系统的理论探讨 ............... 31

§5.1 基于光纤宏弯曲损耗的温度传感系统的初步设计 .............. 31

§5.2 基于光纤宏弯曲损耗的温度传感系统的光时域反射技术（OTDR） 34

§5.2.1 应用于光纤宏弯损耗温度传感系统的 OTDR 原理 ............ 34

§5.2.2 光纤宏弯损耗温度传感系统的 OTDR 的应用 ................ 36

§5.3 本章小结 ................................................ 36

第六章总结 ..................................................... 37

参考文献 ........................................................ 38

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 41

致谢 ............................................................ 42

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声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：年月日摘要和传统的温度传感器相比，光纤温度传感器一般来说灵敏度高,检测速度快,动态范围大,结构更为简单,探头的体积也更小,很容易改变探测区域。光纤温度传感器现阶段在我们的生活中的已经有了非常多的实际应用。其中，基于光纤宏弯曲损耗的光纤温度传感器的结构简单、体积小、成本低廉、方便测量且不需要对信号进行解调。但是遗憾...

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