摘 要
本文从光纤和光纤传感器以及光纤温度传感器的发展历程开始详细分析国内外主要光纤温度测温方法的原理及特点，比较了不同方法的温度测量范围和性能指标以及各自的优缺点。通过研究发现了当前的光纤温度传感器的种类和特点，详细介绍了光纤温度传感器的原理，种类和各自的特点和优缺点。可以根据这些传感器各自特点将各种传感器应用到不同的领域，本文也简要分析了各种光纤温度传感器的运用范围和领域。
本文还通过图文并茂的方式比较详细地分析了介绍了空调器的基本结构，工作电气原理和基本的热力学过程。
本文对毕业设计主要内容和拟采用的研究方案也做出了详细地介绍分析。
关键词：光纤，光纤传感器，光纤温度传感器，运用领域，空调器，空调器原理
Abstract
1 引言：
光纤温度传感器是一种新型的温度传感器．它具有抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、防爆防燃、体积小、重量轻等优点，其中几种主要的光纤温度传感器：分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器更有着自己独特的优点。与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高;是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。它将在航空航天、远程控制、化学、生物化学、医疗、安全保险、电力工业等特殊环境下测温有着广阔的应用前景。
在本论文中将详细分析当前光纤温度传感器的主要种类和各自的原理，特点和应用范围。
2 论文要求：
（1）详细分析国内外主要光纤温度测温方法的原理及特点，比较不同方法的温度测量范围和性能指标。
（2）掌握空调器的工作电气原理和基本的热力学过程。
3 毕业论文综述：
70年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。1977年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是光纤传感器问世的日子。从这以后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。 从70年代中期到80年代中期近十年的时间，光纤传感器己达近百种，它在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得到实际应用。从目前的情况看，己有一些形成产品投入市场，但大量的是处在实验室研究阶段。光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高; 是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境 下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤 遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。
目前，世界各国都对光纤传感器展开了广泛，深入的研究，几个研究工作开展早的国家情况如下:美国对光纤传感器研究共有六个方面:这些项目分别是:光纤传感系统;现代数字光纤控制系统;光纤陀螺;核辐射监控;飞机发动机监控;民用研究计划。以上计划仅在1983年就投资12-14亿美元。美国从事光纤传感器研究的有美国海军研究所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福大学等28个主要单位。美国光纤传感器开始研制最早，投资最大，己有许多成果申请了专利。
英国政府特别是贸易工业部十分重视光纤传感器技术，早在1982年有该部为首成立了英国光纤传感器合作协会，到1985年为止，共有26个成员，其中包括中央电器研究所、Delta控制公司、帝国化学工业公司、英国煤气公司、
1 Taylor仪器公司、标准电信研究所及几所主要大学。
德国的光纤陀螺的研究规模和水平仅次与美国居世界第二位，西门子公司在1980年就制成了高压光纤电流互感器的实验样机。
日本制定了1979-1986年“光应用计划控制系统”的七年规划，投资达70亿美金。有松下、三菱、东京大学等24家著名的公司和大学从事光纤传感器研究。从1980年7月到1983年6月，申请光纤传感器的专利464件，涉及11个领域。主要应用于大型工厂，以解决强电磁千扰和易燃、易爆等恶劣环境中信息测量、传输和生产全过程的控制问题。
我国光纤传感器的研究工作于80年代初开始，在“七五”规划中提出15 项光纤传感器项目，其中有光纤放射线探测仪、光纤温度传感器及温度测量系统、光纤陀螺、光纤磁场传感器、光纤电流、电压传感器、医用光纤传感器、分析用 传感器、集成光学传感器等。预计“七五”期间的研制成果可达到美、日等国 80年代初、中期水平。
半导体吸收型光纤温度传感器基本上是80年代兴起的，其中以日本的研究最为广泛。在1981年，Kazuo Kyuma等四人在日本三菱电机中心实验室，首次研制成功采用GaA、和Care半导体材料的吸收型光纤温度传感器。由于人们对半导体材料认识的不断深入，以及半导体制造和加工工艺水平的不断提高，使人们对采用半导体材料来制作各种传感器的前景十分看好。在90年代前后， 出现了研究以硅材料作为温度敏感材料的光纤温度传感器。在1988年，Roorkee 大学R.P.Agarwal等人，采用CIrD(化学气象淀积)技术，在光纤端面上淀积多 晶硅薄膜，试制了硅吸收型光纤温度传感器。同年，Isko Kajanto等人采用SOI结构，以光纤反射的方式，制作了单晶硅吸收型温度传感器。目前，以GaAs 和CdTe直接带隙半导体材料的吸收型光纤温度传感器，已接近实用化。
国内对半导体吸收型光纤温度传感器的研究起步较晚，兴起于90年代后期。 主要集中在清华大学，华中理工大学，东南大学等高校。他们对该种类型的传感 器结构，特性和系统结构进行了详细的分析和实践。但大量的研究只集中在GaAs半导体作为感温材料的传感器上，与国外在该领域的研究水平仍有较大差别。
4 光纤温度传感器的特点：
光纤温度传感器与传统的温度传感器相比具有很多优点：光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器件接收．可方便地进行光电或电光转换．易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配．光纤工作频率宽．动态范围大，是一种低损耗传输线，光纤本身不带电．体积小质量轻，易弯曲，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。国外一些发达国家对光纤温度传感技术的应用研究已取得丰富成果．不少光纤温度传感器系统已实用化．成为替代传统温度传感器的商品。所有与温度相关的光学现象或特性．本质上都可以用于温度测量．基于此．用于温度测量的现有光学 技术相当丰富。对于光纤温度传感器的研究占到将近所有光纤传感器研究的20％。光纤温度传感器的研究．除对现有器件进行外场验证、完善和提高外，目前有以下几个发展动向：大力发展测量温度分布的测量技术．即由对单个点的温度测量到对光纤沿线上温度分布．以及大面积表面温度分布的测量：开发包括测量温度在内的多功能的传感器：研制大型传感器阵列．实现全光学遥测。 光纤测温传感器是用光纤来测量温度的。有两种方法可实现。一是利用被测表面辐射能随温度的变化而变化的特点；利用光纤将辐射能量传输到热敏元件上，经
2 过转换再变成可供纪录和显示的电信号。这种方法独特之处就是可以远距离测量；另外一种方法是利用光在光导纤维内传输的相位随温度参数的改变而改变的特点，光信号的相位随温度的变化是由于光纤材料的尺寸和折射率都随温度改变而引起的。
5 光纤传感器的基本原理
在光纤中传输的单色光波可用如下形式的方程表示E=
式中，、频是光波的振幅：w是角频率；为初相角。该式包含五个参数，即强度率w、波长
、相位（wt+）和偏振态。光纤传感器的工作原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已知调制的光信号进行检测，从而得到被测量。当被测物理量作用于光纤传感头内传输的光波时，使的强度发生变化，就称为强度调制光纤传感器；当作用的结果使传输光的波长、相位或偏振态发生变化时，就相应的称为波长、相位或偏振调制型光纤传感器。
5.1强度调制
5.1.1 发光强度调制传感器的调制原理
光纤传感器中发光强度的调制的基本原理可简述为，以被测量所引起的发光强度变化，来实现对被测对象的检测和控制。其基本原理如图所示。光源S发出的发光强度为的光柱入传感头，在传感头内，光在被测物理量的作用下强度发生变化，即受到了外场的调制，使得输出发光强度产生与被测量有确定对应关系的变化。由光电探测器检测出发光强度的信号，经信号处理解调就得到了被测信号。
5.1.2 发光强度调制的方式 利用光纤微弯效应；
利用被测量改变光纤或者传感头对光波的吸收特性来实现发光强度调制； 通过与光纤接触的介质折射率的改变来实现发光强度调制； 在两根光纤间通过倏逝波的耦合实现发光强度调制；
利用发送光纤和接收光纤作相对横向或纵向运动实现发光强度调制，这是当被测物理量引起接收光纤位移时，改变接收发光强度，从而达到发光强度调制的目的。这种位移式发光强度调制的光纤传感器是一种结构简单，技术较为成熟的光纤传感器。
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5.1.3 发光强度调制型传感器分类
根据其调制环节在光纤内部还是在光纤外部可以分为功能型和非功能型两种。强度调制式光纤传感器的特点 解调方法简单、响应快、运行可靠、造价低。缺点是测量精度较低，容易产生偏移，需要采取一些自补偿措施。
5.2相位调制 光纤传感器的基本原理
通过被测量的作用，使光纤内传播的光相位发生变化，再利用干涉测量技术把相位转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。如图5-40其中图a、b、c分别为迈克尔逊、马赫-泽得和法布里-珀罗式的全光纤干涉仪结构。
5.3 波长调制光纤传感器的基本原理
波长调制传感器的基本结构如图5-41。
6 光纤温度传感器
6.1几种光纤温度传感器的原理和研究现状
光纤温度传感器按其工作原理可分为功能型和传输型两种。功能型光纤温度传感器是利用光纤的各种特性f相位、偏振、强度等)随温度变换的特点，进行温度测定。这类传感器尽管具有”传”、”感”合一的特点．但也增加了增敏和去敏的困难。传输型光纤温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用．以避开测温区域复杂的环境．对待测对象的调制功能是靠其他物理性质的敏感元件来实现的。这类传感器由于存在光纤与传感头的光耦合问题．增加了系统的复杂性，且对机械振动之类的干扰较敏感．下面介绍几种主要的光纤温度传感器的原理和研究现状。
6.1.1分布式光纤温度传感器
分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统。分布光纤传感器系统最早是在1981年由英国南安普敦大学提出的．1983年英国的Hartog用液体光纤的拉曼光谱效应进行了分布式光纤温度传感器原理性实验．1985年英国的Dakin在实验
4 室用氩离子激光器作为光源进行了用石英光纤的拉曼光谱效应的分布光纤温度传感器测温实验．同年Hartog和Dakin分别独立地用半导体激光器作为光源，研制了分布光纤温度传感器实验装置：此后。分布光纤温度传感器得到了很大的发展．研究出了多种传感机理．有的还使用了特种光纤。分布式光纤温度传感器是基于瑞利散射、布里渊散射、喇曼散射三种分布式温度传感器。分布式光纤传感器从最初提出的基于光时域散射fOTDRl的瑞利散射系统开始．经历了基于0TDR的喇曼散射系统和基于0TDR的布里渊散射系统．使得测温精度和范围大幅提高。光频域散射fOFDR)的提出也很早，但只有到了近期．伴随着喇曼散射和布里渊散射研究的深入．使OFDR和它们结合才显示出了它的优越性。基于0TDR和OFDR的分布式温度光纤传感器已经显示出了很大的优越性．所以基于OTDR0FDR的分布式温度光纤传感器仍将是研究的热点．尤其是基于OFDR的新的分布式光纤传感器将是一个重要的发展方向。土耳其Gunes Yilmaz研制出10km、温度分辨率为1℃、空间分辨率为1．22m的分布式光纤温度传感器。在国内，中国计量学院、重庆大学、浙江大学等单位根据应用的需要．先后开展了分布式光纤温度传感器的研究。中国计量学院1997年研制了一种用于煤矿、隧道温度自动报警的分布式光纤温度传感器系统，该系统光纤长为2km．测温范围为一50℃～150℃．测温精度为2℃．温度分辨率为O．1℃：2005年设计制造出31km远程分布式光纤温度传感器．测温范围0℃～100℃，温度测量不确定度为2℃．温度分辨率为0．1℃，测量时间为432s．空间分辨率为4m。 6.1.2 光纤光栅温度传感器
光纤光栅温度传感技术主要研究Bmgg光纤传感技术。根据Bragg光纤光栅反射波长会随温度的变化而产生”波长移位”的原理制成光纤光栅温度传感器。1978年．加拿大渥太华通信研究中心的K．O．HiU等人首先发现掺锗石英光纤的光敏效应．采用注入法制成世界上第一只光纤光栅(FBG)，1989年，Morev首次报导将其用于传感。英国T．A1lsoD利用椭圆纤芯突变型光纤研制出温度分辨率为O．9℃、曲率分辨率为0．05的长周期光纤光栅曲率温度传感器。意大利A．Iadicicco利用非均匀的稀疏布拉格光纤光栅fThFBGsl同时测量折射率和温度．该传感器的温度分辨率为0．1℃．在折射率1．
45、1．33附近的折射率分辨率分别为10-s、104。中科院上海光机所利用光纤光栅的金属槽封装技术将光纤光栅温度传感器的灵敏度提高到O．02℃：哈尔滨工业大学把光纤光栅粘贴在金属半管上．使其分辨率达到0．04℃：黑龙江大学光纤技术研究所提出了一种光纤光栅fFBGl的Ti合金片封装工艺，使温度灵敏度达到0．05℃。 6.1.3 光纤荧光温度传感器
光纤荧光温度传感器是目前研究比较活跃的新型温度传感器。荧光测温的工作机理是建立在光致发光这一基本物理现象上。所谓光致发光是一种光发射现象．就是当材料由于受紫外、可见光或红外区的光激发．所产生的发光现象。出射的荧光参数与温度有一一对应关系．通过检测其荧光强度或荧光寿命来得到所需的温度的。强度型荧光光纤传感器受光纤的微弯曲、耦合、散射、背反射影响，造成强度扰动，很难达到高精度：荧光寿命型传感器可以避免上述缺点，因此是采用的主要模式．荧光寿命的测量是测温系统的关键。美国密西西比州立大学用一种商用的环氧胶做温度指示f含有多环芳烃化合物：PAHs)。PAHs在用紫外光激发时发荧光．荧光的强度随环氧胶周围温度的升高而减小．该传感器可监测20℃～100℃范围内的温度。日本东洋大学根据Tb：Si0，和Tb：YAG的光致发光(PL)谱与温度有关．将其制成光纤温度传感器。在300～1200K的温度下．Tb：Si0，
5 的PL峰值在540nm时的光强随温度的升高单调减小．Tb：YAG晶体的PL谱的形状随温度变化。韩国汉城大学发现lOcm长的Ybn、E一双掺杂光纤在915nm处．两荧光强度的比值在20℃～300℃间与温度成指数关系．这种双掺杂系统对于测量苛刻环境的温度非常有用。清华大学电子工程系利用半导体GaAs材料对光的吸收随温度变化的原理。研制出测温范围：O℃～150℃；分辨率：0．5℃的光纤温度传感器。燕山大学设计了一种利用荧光波分和时分多路传输技术．通过检测红宝石晶体的荧光强度实现温度测量的系统．该系统的测温范围：30℃～160℃：分辨率：0．5℃。海南大学用激光加热基座法生长出端部掺Cr的蓝宝石荧光光纤传感头．该传感器的测温范围：20℃～450℃：分辨率：1℃。中北大学用一种镀有陶瓷薄膜的蓝宝石光纤作为传感器的瞬态高温测试系统．该系统的测温范围：1200℃～2000℃。分辨率：1℃。 6.1.4 干涉型光纤温度传感器
干涉型光纤温度传感器是一种相位调制型光纤传感器。它是利用温度改变Mach—Zehnder干涉仪、Fabry—Perot干涉仪、Sagnac干涉仪等一些干涉仪的干涉条纹来外界测量温度。英国的Samer K．Abi Kaed Bev用长周期光纤光栅做成Mach—Zehnder干涉型光纤温度传感器．其温度分辨率为O．7℃。燕山大学研制出基于白光干涉的Fabrv—Perot光纤温度传感器．其测温范围为一40℃～100℃．分辨率为0．01℃。哈尔滨工程大学研制出数字式Mach—Zehnder干涉型光纤传感器．其测温范围为35cC～80℃，压力、温度、位移分辨率分别为0．03kPa、0．07℃、2．5斗m。
干涉式光纤温度传感器工作示意图
6.1.5 基于弯曲损耗的光纤温度传感器
基于弯曲损耗的光纤温度传感器利用硅纤芯和塑料包层折射率差随温度变化引起光纤孔径的变化、光纤的突然弯曲引起的局部孔径的变化的原理测量温度。乌克兰采用EBOC伍ngIish—Bickford Optics Com—pany)生产的多模阶跃塑料包层硅纤芯光纤HCN～H，已做出基于弯曲损耗的光纤温度传感器．其测温范围一30℃～70℃．灵敏度达到O．5℃。法国研究出测温范围一20℃～60℃。灵敏度为0。2℃的基于弯曲损耗的光纤温度传感器。国内主要是对光纤的弯曲损耗与入射波长、弯曲半径、弯曲角度、弯曲长度、光纤参量和温度等的关系做了一些研究。实验装置图如图1所示。
6.2 几种光纤温度传感器的特点及各自的研究方向
分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器分别具有独特的优点和一定的不足，因此它们的研究方向不同。 6.2.1 分布式光纤温传感器
分布式光纤温传感器具有其他温度传感器不可比拟的优点。它能够连续测量光纤沿线所在处的温度．测量距离在几千米范围．空间定位精度达到米的数量级。能够进行不问断的自动测量．特别适用于需要大范围多点测量的直用场合。目前对分布式光纤温度传感器研究的重点：实现单根光纤上多个物理参数或化学参数的同时测量：提高信号接收和处理系统的检测能力．提高系统的空间分辨率和测量不确定度：提高测量系统的测量范围．减少测量时间：基于二维或多维的分布式光纤温度传感器网络。 6.2.2 光纤光栅温度传感器
光纤光栅温度传感器除了具有普通光纤温度传感器的许多优点外．还有一些明显优于其它光纤温度传感器的方面。其中最重要的就是它的传感信号为波长调制。这一传感机制的好处在于：测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响：避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要：能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行分布式测量：很容易埋人材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量。尽管光纤光栅温度传感器有很多优点．但在应用中还需考虑很多因素：波长微小位移的检测；宽光谱、高功率光源的获得；光检测器波长分辨率的提高；交叉敏感的消除；光纤光栅的封装；光纤光栅的可靠性；光纤光栅的寿命。 6.2.3 光纤荧光温度传感器
光纤荧光温度传感器于其它光纤温度传感器相比有自己独特的优点：由于荧光寿命与温度的关系从本质上讲是内在的．与光的强度无关．这样就可以制成自较准的光纤温度传感器．而一般的基于光强度检测的光纤温度传感器f如辐射型1则因为系统的光传输特性往往与传输光纤和光纤耦合器等相关而需经常校准：测量范围广，特别在高温情况下多用光纤荧光温度传感器。目前国外的研究主要围绕着荧光源的选择．主要为下面几个方面：蓝宝石和红宝石发光、稀土发光及半导体吸收。
6.2.4 干涉型光纤温度传感器
7 干涉型光纤温度传感器的温度分辨率高：动态响应宽：结构灵巧。研究干涉型光纤温度传感器的主要工作放在减小噪声干扰和信号解调上。 6.2.5 基于弯曲损耗的光纤温度传感器
基于弯曲损耗的光纤温度传感器具有结构简单、体积小、成本低、测量方便不需要解调等优点。但是它还存在着很多的不足：测量精度低；由于它是强度调制型光纤传感器，光源的稳定性对其影响很大；使用寿命短等缺点。在今后的研究中主要从光纤的选择、测量条件的提高等方面开展工作。
7 光纤温度传感器的应用
光纤温度传感自问世以来．主要应用于电力系统、建筑、化工、航空航天、医疗以至海洋开发等领域，并已取得了大量可靠的应用实绩。 7.1.1 光纤温度传感器在电力系统有着重要的应用 电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控；高压配电装置内易发热部位的监测；发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统；各种大、中型发电机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断；火力发电厂的加热系统、蒸汽管道、输油管
道的温度和故障点检测：地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等等。 7.1.2 光纤温度传感应用于建筑、桥梁上
光纤光栅温度传感器很容易埋人材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量．因而被广泛的应用于建筑、桥梁上。美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家早就开展了桥梁安全监测的研究．并在主要大桥上都安装了桥梁安全监测预警系统。用来监测桥梁的应变、温度、加速度、位移等关键安全指标。1999年夏，美国新墨西哥Las Cmces lO号州际高速公路的一座钢结构桥梁上安装了120个光纤光栅温度传感器．创造了单座桥梁上使用该类传感器最多的记录。
7.1.3 光纤温度传感在航空航天业的应用
航空航天业是一个使用传感器密集的地方．一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需要使用的传感器超过100个．因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤传感器从尺寸小和重量轻的优点来讲．几乎没有其他传感器可以与之相比。 7.1.4 传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的 光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量。提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的岗厂阴，等：光纤温度传感器的研究和应州损害非常小．足以避免对正常医疗过程的干扰。 7.1.5 光纤光栅传感器永久井下测量的应用
因其抗电磁干扰、耐高温、长期稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感．挪威的Optoplan正在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器。
8 空调器的工作电气原理和基本的热力学过程
8.1 空调器基本结构
8 是由制冷（热)、空气循环、电气控制三大系统组成。 制冷系统: 用于制冷剂循环及气/ 液态变换。制冷剂系统的工作与否受控于电气系统。空气循环系统: 用于驱动空气进行循环，过滤室内空气，以及对制冷系统中蒸发器、冷凝器提供空气热交换条件，调节室内的温度等。电气控制系统: 用于控制冷系统与空气循环系统的工作与否。
8.1.1 制冷系统的结构和工作过程制冷系统的结构
由压缩机、冷凝器、过滤器、毛细管、蒸发器等首尾连接组成。其中，制冷剂的循环流通由压缩机负责，制冷剂气态转换由蒸发器负责，制冷剂液态转换由冷凝器负责，制冷剂压力变换由压缩机和毛细管负责，过滤器负责滤除制冷剂中微量脏物。对于制冷而言，其工
作过程以图1 所示窗式空调器为例说明如下：当接通电源后，压缩机及风扇开始运转，蒸发器内的低压气态制冷剂，通过管路被压缩机吸入，并压缩为高压、高温气态，再经过排气管排入冷凝器对室外空气放热自身降温变成液态。液态制冷剂经过滤器、毛细管节流后进入蒸发器，由蒸发器蒸发为气态，并在蒸发过程中自身吸热对室内空气降温，冷却后的空气由离心风扇吹向室内，室内的空气又由风扇的吸气端吸回。这样，空气不断循环，周而复始，室内的空气就得到了降温并维持在一定温度内，实现制冷目的。
8.1.2 制热系统的结构和工作过程制热系统的结构
对于制热而言，其工作过程可用图2 所示的冷暖空调制冷（热）系统来说明。 它是
在单冷空调制冷系统的基础上增加了单换阀和辅助毛细管。制热时除制冷剂走向（箭头）与制冷时相反外，且室外侧热交换器作蒸发器用于吸热，室内侧热交换器作为冷凝器用于放热。
8.1.3 制冷（热）系统各器件的功能与作用 现说明如下：
( 1) 压缩机: 压缩机运转后，产生吸排气功能，并由低压管口（粗）吸气、高压管口（细）排气，推动制冷剂在制冷管路中循环流通。同时对低压管吸入的制冷剂进行压缩变为高压高温后由高压管口排出。
( 2) 冷凝器: 对压缩机排出的高压、高温气态进行制冷，在流经冷凝器的过程中，逐步散热降温而冷凝为液态／中温／高压制冷剂，实现制冷剂从气态到 液态的转换，以把制冷剂携带的热量散发到空气中，实现热量的转移。
( 3) 毛细管; 是一根直径4 mm、长l m左右的细铜管，接于过滤器（或冷暖机单向阀）与蒸发器之间，对冷凝器流出的中温高压液态制冷剂进行节流降压，使蒸发器中形成低压环境。
( 4) 过滤器: 滤除制冷剂中微量脏物，保证制冷剂在制冷管路中的循环流通。 ( 5) 蒸发器: 经毛细管降压节流输出的制冷剂，在流经经蒸发器管路过程中逐步沸腾蒸发为气体，并在蒸发过程吸收外界空气的热量，使周围空气降温。
8.2 空气循环系统的结构和工作过程
图3 是窗机空气循环系统示意图。它由室内侧、室外侧空气循环两部位组成。两者的核心器件均是多绕组风扇电机。风扇电机的转速受控于功能开关（又称主令开关），风速设置不同，功能开关对风扇电机调速绕组抽头供电不同，调速绕组线圈匝数不同，它与运转绕组串联后的匝数不同，从而使风扇转速不同。
8.3 电气控制系统的结构和工作过程
电气控制系统的核心器件是压缩机和风扇电机，如图4 所示。这两个器件的CR 运行绕组在得到交流220 V 电源后，CS 启动绕组瞬间有启动电流流过就开始运转，把电能变换为机械能。压缩机运转产生的机械能带动制冷系统工作以实施制冷（热）；风扇电机运转产生的机械能，带动扇叶旋转以实现空气循环。
( 1) 压缩机工作控制
这里，以图4(a)所示的窗机置于高冷状态为例说明。由图可见，这时功能开关1 端
分别与4 端、8 端接通，对压缩机、风扇电机提供供电回路。其中压缩机供电回路如下：交流220 V 电源插头L 端→功能开关1端、8 端→温控器开关的C 端、L 端→F1 过载保护器的1 端、2 端→压缩机的C 端。此时分为两路：一路经R 端→C 启动电容的1 端（运转电流）；另一路径S 端子→C 启动电容2 端、1 端（启
动电流），最后至电源插头的N 端。这样，在压缩机接通电源后，就启动运转，空调开始制冷。当制冷达到设置温度时，温控器断开压缩机供电电路，压缩机停止运转，终止制冷。当室内温度上升到高于设置温度时，温控器再次自动接通压缩机供给回路，压缩机再次运转制冷，以后重复上述过程。至于过载保护器，它紧贴在压缩机外壳上以感知压缩机温度。在压缩机启动或运转中，电流过大或压缩机过热时过载保护器会呈现高阻（相当于断开），从而切断压缩机供电回路，达到保护压缩机的目的。
9 毕业设计主要内容和拟采用的研究方案
9.1 光纤温度传感器的设计
根据光纤弯曲损耗的理论分析，光纤温度传感器结构由三大部分组成：温度敏感头、传输与信号处理部分，具体结构示意图如图3 所示。 9.1.1 温度敏感头
温度敏感头是温度传感器中最主要的部件，是将所测量温度转换成直接能够测量的参数，在这里，是转换成光纤的损耗大小，同等状态下，损耗大，探测器接收到的光功率小，反之，接收到功率就大。传感头主要由多模光纤与金属构件组成，如图3 所示，将光纤施加一定的张力后直接加载在多边形金属构件上，固定好后将光纤两端头引出，在引出光纤的两端制作连接器，外加光纤保护措施，传感头主要工序就已经完成了。金属零件随温度高低不同产生形变也不一样，加载在
13 零件上光纤弯曲损耗大小随之改变金属件受到温度越高，形变越大，在光源输出光功率稳定情况下，光纤弯曲损耗增加时，探测器接收到的光功率就会减小，反之，接收到的光功率增大。当传感头处的温度场发生变化时，通过探测器将接收到的不同光信号转换成电信号，进一步处理、计算，输出外界的温度值大小。金属零件在热变形时，其变形量不仅与零件尺寸、组成该形体的材料线膨胀系数α、环境温度t 有关，而且与形体结构因子(取决于几何参数)有关，计算比较复杂，在这里采用传统的公式模拟来计算：
Lt=L[1+α (t-20°C)] (5) 式中，Lt—温度t 时的尺寸；L—20℃时的尺寸；α—线膨胀系数，其数学表达式比较复杂，可选用平均线膨胀系数，经过查表可知。为了提高传感器的灵敏度，温度敏感头金属材料需选用膨胀系数较大的，且膨胀系数在整个温度测量区间要较稳定，有较好重复性；温度敏感头的结构形状也是要考虑的另一个因素，不同的形状，对灵敏度影响很大。要提高传感头对温度的响应时间，需要选用导热系数较高的材料，比热越小越好，在温度突变时，能快速响应。经过课题组反复计算与试验，选用成本较低、加工容易、导热较快，并且满足使用范围的金属材料铝。通过试验，传感器在-40°C～＋80°C温度范围内均可精确工作。 9.1.2 传输部分
光纤在这里不仅要作为转换器件使用，同时也作为光信号传输载体，选用对弯曲损耗更敏感的多模光纤，一般地采用62.5/125μm 标准的多模光纤。由于加载光纤时要施加一定的张力控制，使得光纤缠绕在金属零件上，光纤本身就比较容易损坏，敏感头处光纤长时间受到一定内应力作用，必须对光纤的涂层进行加固耐磨处理，增加传感器使用的可靠性。 9.1.3 信号处理部分信号处理部分
主要由发光管、探测器的驱动电路与数字电路处理两部分组成，发光管、探测器的驱动电路技术已经非常成熟。数字电路处理主要使用价廉物美的单片机，CPU使用美国ATMEL 公司生产的AT89C52 单片机，是一块具有低电压、高性能CMOS 8 位单片机，片内含8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes 的随机存取数据存储器（RAM），全部采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS－51 指令系统及8052 产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。A/D 转换采用AD 公司生产的12 位D574A 芯片，转换时间位25μs，数字位数可设定为12 位，也可设为8 位，内部集成有转换时钟、参考电压和三态输出锁存，可以与微机直接接口。为了方便在现场使用，光纤温度传感器扩展了LCD 显示接口，同时还扩展了一个RS-232 通信口，用于同上位机进行通信，将现场采集的数据传送到上位机，进一步分析处理。整个监控程序采用模块化设计，主要的功能模块有：系统初始化，A/D 采样周期设定，数字滤波，数据处理，串行通信，中断保护与处理，显示与键盘扫描程序等。程序采用单片机汇编语言来编写，使用广泛、运算的速度快等特点，有效的利用单片机上有限的RAM 空间，其中，由于温度的变化引起光强的变化不是线性的，因此我们采用查表法对其测量值进行线性补偿。
9.2 试验检验与数据处理
已经制作好的温度敏感头通过试验测试。 第一步，在温度敏感头的一端光纤连接器上加载稳定的短波长的光源，另一端接
14 相匹配的光功率计，将温度敏感头置入恒温槽中； 第二步，设置恒温槽温度，观察光功率计值的变化情况，要满足在测量的整个工作区间光功率都有变化；
第三步，定点测量，设定几个或更多温度点，记录下，温度与光功率对应值，反复多次试验，观察温度敏感头的重复性。光纤温度传感头通过试验测试，将温度与光功率相对应数据制成表格，具体见表1 所示，曲线图见图4。
通过上述试验表明，传感头满足使用要求，重复性非常好，加载发光管与探测器驱动电路以及信号处理电路，整体调试传感器，观察温度与传感器输出的电压值关系，重复操作上述试验第
二、第三步，具体的温度与电压相对应值见表2，曲线图见图5。
通过观察上述两个曲线，形状基本一致，重复性较好，表明传感器整体性能满足要求。将几个特殊点电压值送到单片机进行处理，采用直线插值拟合或者最小二乘法曲线拟合，输出温度值。通过实测检验，与标准温度值误差最大值为±1°C，基于金属热膨胀式的光纤温度传感器设计是成功的，传感器整体测试精度较高。
9.3 设计方案
系统原理如图1 所示,采用可见光将光束直接射入2根经端面处理且并排放置的光纤中,同时为使2 根光纤输出的光强近似相等且最大,采用2 个不同焦距的透镜来增强光的耦合程度。根据马赫2曾德干涉原理,在出口处2 路光纤并排紧密放置,发生干涉。随后由CCD 传感器接收,并 在监视器上观测温度变化时条纹的变化规律。一方面通过温度标定得到温度与条纹数的对应关系, 另一方面使用MATLAB 对采集到的干涉图像进行处理,通过程序自动判别条纹数。从而得到温度的变化值,实现光纤温度传感测量。
1 马赫2泽德干涉型光纤温度传感器装置
9.3.1 实现方法与现象 (1)平台的搭建
为了得到较好的效果,实现中应注意以下问题: ①耦合问题:在光纤传感系统中,各部件采用耦合效率较高的凸透镜耦合,如图2 所示。将激光器放在凸透镜的焦点上,使其为平行光,然后再用另一个凸透镜将平行光聚集到光纤端面上。整个耦合系统调整组装较容易,使用方便。
图2 光路耦合示意图
②光路准直:搭建实验平台时要注意使整个光路平行于平台,这就需要利用光屏十字法来校准光路。首先确定激光束与实验平台平行;其次在光路上分别加上透镜,调整光具座使透镜前后的光斑落在十字的中心位置。并且依据透镜焦距,使光纤的端面尽量位于透镜的焦点上。如 图3 所示。
图3 光路准直示意图
(2) 产生的现象
根据前面论述的方案,通过光路调整等一系列过程,得到干涉图像如图4 所示。通过使光纤的感温部分受热,可以在监视器上观察到条纹的变化。当温度升高时,条纹几近匀速地向右移动;当温度降低时,条纹向相反的方向移动。这样的变化较为规律,但是对于温度检测电路来说,要求温度变化可测,从而得到定量的关系;对于图像检测而言,条纹要尽量清晰,明暗对比强烈,才能在图像处理时减少不必
要的误差。
图4 干涉条纹图像
9.3.2 信号检测及处理 1 温度标定
(1) 方案: 为使感温部分的光纤均匀受热,选择2 个5 cm的薄铜片将光纤夹入其中。使用电烙铁为其加热,使其温度变化范围加大,条纹移动明显。对于其他不感温光纤,将其固定在绝热平台上,减小热源的影响。
(2) 电路设计:本文使用热敏电阻标定温度与干涉条纹数之间关系,由于热敏电阻随温度变化呈指数规律,即其非线性是十分严重的。当进行温度测量时,应考虑将其进行线性化处理。测温电路如图5 所示。
图5 测温电路
本系统中所用的热敏电阻为负温度系数。其特性可
以表示为:Rt = Rt0 exp B1T-1T0(1)式中: Rt、Rt0分别为温度T 和T0 时的电阻值。根据式(1)以及压阻变换关系可以得到下面这个最终的根据电压的变化从而测得温度变化的表达式:1T=1BlnUtUt0+1T0(2) (3) 数据处理
在测量过程中,为找到合适的电压测量点,选择时间为参考因素,以60 s 为一个阶段,测量一次热敏电阻两端电压,记录电压值,并根据公式得对应的温度,求得Δt。同时记录在这些点间的条纹移动数量,记为Δn。根据Δt 和Δn 可得到温度与条纹之间的函数关系。 (4) 结果分析
设条纹变化数为Δy ,温度变化数为Δx ,则根据实验数据可以得到这样一个近似线性的函数关系式:Δy = 8.30Δx。即温度升高1 ℃,条纹移动8.30 个。如果标定起始温度,根据这一关系,即可得到变化后的温度值。 9.3.3 干涉条纹图像采集与处理
采用MVPCI 专业图像采集卡采集干涉条纹图像,采集程序如图6 所示。并对图像做如下处理(见图7) : 对CCD 采集下来的图像(见7 (a) ) 需调用imfilter 函数进行图像滤波(滤波结果见图7 ( b) ) 。并使用阈值操作将图像转换为二值图像(见图7 (c) ) ,从而很好地将对象从背景中分离出来。通常温度的判断基于处理后的条纹图像,因此需采用边缘检测来提取图像的特征。在MATLAB 中使用专门的边缘检测edge 函数,调用Sobel 算子进行检测。结果如图7 (d) 所示。
采集流程图
图7 干涉条纹图像采集与处理
9.3.4 条纹记数程序设计
(1) 设计思路:根据边缘检测后条纹的图像质量,提取图像质量较好的横坐标为80 的一行元素的像素值,对其进行扫描,得到像素值为1 的位置,即条纹边缘的位置;由于边缘提取得到的条纹是原来条纹的轮廓,所以2 个边缘构成一个亮或暗条纹。因此需要将提取出来的边缘位置与原图像进行对比,从而对条纹精确定位;判定离标定位置最近的亮条纹的分布情况,找到条纹移动规律;计算条纹移动周期,借鉴光学测量中的相位展开原理,将图像变换为近似线性的曲线,从而得到条纹移动过总的像素值,除以周期,即得条纹移动个数。程序模块流程图如图8 所示。
(2) 结果分析：通过上面的程序计算,得到距离标志位32 最近的亮条纹位置R 的变化情况(见图9) 。可看出, R 的值是有规律地在变化,表明R 存在周期性。通过程序中得到的r (条纹边缘像素) 计算周期,即T = 22 。根据相位展开的相关原
图8 条纹记数程序流程图
理,把像素值小于32 ,且与其前相邻一个像素的差大于某一值时,将其加上一个周期,转换为类似线性的函数,如图10 所示。由图(10) 可以得到移动条纹总的像素值M = 820 ,除以展开周期T = 22 , 即可以判别移动条纹个数N =M/ T = 37 。由于确定的判别像素间距,程序在条纹小范围左右徘徊的状态时难以判别,会产生误差。因此,程序计算得到的数据与前面测温时数出来的条纹个数41～46 (120 s)近似,说明此程序的处理较为正确。此时,根据前面温度检测得到的结果,即条纹数与温度变化的关系Δy = 8.30Δx ,得到温度变化值Δx =Δy/ 8.30 = N/ 8.30 = 4.46 ℃,对照前面热敏电阻计算的温度变化值5.27 ℃,结果较为一致。说明此程序可以用来判定条纹个数,对应温度变化与条纹数的关系,就可以得到温度变化值,从而实现光纤温度传感测量。
20 图9 距标定位最近的亮条纹分布图
图10 展开后的图像
10 结束语
11 毕业设计（论文）参考文献
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