基于光纤传输的温度测试研究

　　各种精密测量都需要辅以测度测试和温度控制。它是获得标准物理量值及产品标准化的必备条件。寻求一种将温度传感器与微型计算机连接起来的温度-电压转换、信号传输是测试研究的重点。基于光纤传输的温度测量技术可解决温度信号与微机的连接。该技术适用于高电压、强磁场、狭窄空间的温度测试环境。

　　1　测温原理

　　温度概念的建立和温度的测量都是以热平衡现象为基础的,由热平衡定律可知,处于同一热平衡状态的物体,必定拥有一共同的物理性质,表示这个物理性质的量就是温度。热平衡定律不仅给出了温度的概念,而且指明了比较温度的方法。因为处于在同一热平衡状态下的物体都有相同的温度,所以在比较各物体的温度时,也可不需要对各个物体互相直接接触,而只需借助作为温敏元件的物体分别与各个物体来比较。通过对温敏元件的物理性质变化的测量,便可以定量地给出被测物体的温度。

　　基于这一原理,采用半导体热敏电阻(MF51)作为温敏元件,由元件的电阻值随温度变化的特性,将温度转化为电压。电压信号经过微电压—频率转换电路,将温度电压信号调制成频率范围很宽的一组脉冲信号,经高精度,低漂移的红外发光二极管将电压脉冲信号转换成光脉冲信号,送入多模光纤载波传输,光纤终端的光敏探测器又将光脉冲信号转换成电脉冲信号,送入信号调整电路,再送到计频计数器,最后送入PC机处理,实现了基于光纤传输的温度测试。其原理框图如图1所示。

　　2　光纤信号传输与耦合

　　由温敏元件将温度转化为元件电阻值变化,经V/F转化电路调制成脉冲信号,在由发光二极管转换为光信号,光信号在光纤内传输。光纤是作为传输光波的一种媒质。如图2所示,它是由高折射率的纤芯和一般折射率的包层组成,当光线通过纤芯到达包层的交界面时,根据完全内反射原理,光在的交界面反复全反射,向终端传送光信号。设光能通过光纤的最大入射角为θ。则

　　其中, n₀为空气的折射率为1,所以上式可写成

　　因θ很小,故数值孔径n0sinθ=θ。θ是光纤的重要参数,关系到光纤两端的耦合方式及几何尺寸。因此用光纤作为信号传输时,必须对光纤材料,光路系统,光波段区域,发光器件及光探测器结构,性能等因素进行全面的考虑。图3为信号传输的组成。

　　为使信号在光纤内的传输损耗最小,使用半导体激光二极管作为发光二极管,其发射波段是0.8~0.9μm和1~1.1μm,在这近红外波段,光纤传输的损耗最小。由于温度信号传换为光形式传输,而光纤信号传输不受电磁场影响,抗干扰能力强;输入和输出之间电绝缘性好;耐腐蚀性好等优点。虽然红外发光二极管与低数值孔径的光纤耦合效率低,但