光纤传感器的基本工作原理及制作

1 引 言

自从20世纪60年代初第一台激光器问世以来,因其良好的单色性、很小的光束发散角和较长的相干长度,使干涉测量理论和可测量范围大大扩展.基于干涉理论之上的测量温度、压力以及微小形变等技术,已经在科学研究、工业生产和国防科技等方面发挥着不可替代的作用.随着信息工程的发展,特别是光纤通讯的突飞猛进的发展,使光纤干涉装置得到了更加广泛的应用[1-2].

2 光纤干涉的测量原理

激光器发射出光线,经2×2耦合器分束后分别进入参考臂和传感臂中,如图1所示,其中进入传感臂的光束经平面镜反射后又进入耦合器分束后到达探测器中.进入参考臂的光束经过扩束后,通过测量区域,并由平面镜反射,也进入耦合器,最终到达探测器中.当这2部分光的光程差小于光源相干长度时,就会产生干涉条纹.

图1 马赫-曾德尔干涉型光纤温度传感器原理图

光纤干涉传感器利用了马赫-曾德尔干涉原理,当2束单色相干光干涉就能得到干涉条纹,若改变其中1条光纤的温度或压力,使光纤的折射率和长度发生变化,将会使原有的干涉条纹产生移动.干涉条纹可以利用CCD装置观察[3].

3 实验装置和实验数据

以西安超凡公司生产的OFKM-Ⅳ型激光干涉综合实验仪为例,装置如图2所示,控制面板如图3所示.

图2 仪器内部装置示意图

干涉条纹如图4所示,由干涉原理可以知道,当其中1条干涉臂(光纤3#)因为温度的变化会使2个臂(光纤3#和光纤4#)的相位差变化为

式中n为光纤折射率,L为加热条长度,即接受温度场作用的光纤长度.

图3 控制面板图

图4 干涉条纹

那么单位温度变化ΔT引起单位长度光纤的相位变化为

如果感温的光纤长度为L,温度变化ΔT,干涉条纹移动了 N条,则将称为温度分辨率,将称为温度灵敏度.对石英光纤来说,温度灵敏度的理论值约为17.0 cm-1·℃-1.L为16 cm时,实验数据如表1所示.

表1 实验数据

仪器温度分辨率平均值温度灵敏度与石英光纤温度灵敏度理论值17.0 cm-1·℃-1比较,符合率为98.24%.

4 制 作

大学中的实验,尤其是物理实验,对学生来说是个启蒙性的实验,学生只是能明白某一实验的原理,而不能将该实验原理有所应用.我们针对这种现象,进行了一些尝试.比如,根据光纤传感器的工作原理,在现有仪器上开发了几个小测量仪器,目的是让感兴趣的学生在课余时间,自己做这些小实验,尝试着将光纤传感器的实验原理与实际应用联系起来,开阔学生的思路,提高学生的动手能力和解决问题的能力[4-5].

将仪器上的加热条取下,光纤断点处抛光(或分别垂直粘贴在2个小平行平面镜上),待用.

4.1 光纤温度开关

如图5所示,温度升高时,管内水银面上升,当温度上升到设定值时,参考臂中光程发生变化,从CCD中可以观察到干涉条纹急剧变化,利用计数电路可以打开(或关闭)开关.从而对某电路进行控制.

开关打开(关闭)的温度设置为80℃,实验过程中,温度上升,条纹的移动比较缓慢,在接近80℃时,可观察到条纹的移动速度明显加快,这是由于温度计内水银柱的上升引起了空气密度的变化,当温度到达设定温度时,由汞柱代替了原来的空气柱,光程发生了很大变化,条纹瞬间消失.

图5 光纤温度开关

4.2 光纤秤

如图6所示,当托盘中放入重物时,光纤受力伸长,从CCD中可以计算出干涉条纹的移动量,从而得到重物的重量.受力长度为L.

图6 光纤秤

实验中,为了避免光纤过载造成光纤损坏,我们只是在比较小的拉力下进行实验,并采用丝杠连接弹簧秤来保证拉力均匀增加,实验数据如表2所示.

表2 光纤秤实验数据

在一定范围内 N=KF,这样就可以将微小的受力测量转变为对干涉条纹移动的测量,利用条纹移动的数量来得出微小拉力的数值.

5 结束语

随着光纤传感器应用的日益广泛,让学生在理解实验原理的基础上,自己动手制作小实验仪器,对学生是很有好处的,学生在制作过程中,首先会进一步理解相关知识,然后搜索相关应用领域,面对制作过程中出现的各种问题,寻找解决问题的最佳方法和享受成功的快乐.对学生而言,在大学阶段进行一些制作是十分有益的,物理实验制作无疑是最具启蒙性、最方便、最具广泛性的一个领域.