光纤温度传感器.钟础宇

光纤温度传感特性研究2009301020015 钟础宇 09 物基摘要：本实验根据双光束干涉原理，利用一个光纤干涉仪，观察干涉现象，并考察干涉条纹形状及影响可见度的因素。根据相位调制测温的基本原理，采用自组光纤干涉仪研究温度变化与干涉条纹移动数目的关系。关键字：光纤 温度传感器 干涉Abstract：Based on the two-ray interference principle, this experiment is to observe two-ray interference phenomenon of optical fiber and detect the factors which can affect the shape of the interference fringes and its visibility, using a fiber optic interferometer. According to the principle of temperature measurement by phase, we adopt our self-assemble fiber optic interferometer to study how the shift of the temperature and the changes of the fringes are connected.Key words：fiber; temperature pickup; interference实验原理:光学纤维（简称光纤）是 20 世纪 70 年代为光通信而发展起来的一种新型材料。它是用玻璃预制棒拉丝而成的纤维，与其它材料相比具有许多独特的性能。如质地柔软，有良好的传光性能；频带宽，能同时传输大量信息；电绝缘性能好；不受电磁干扰等。此外，光纤本身就是一个敏感元件，可以构成检测位移、速度、加速度、压力、流量、振动、温度、电流、电场、磁场等物理量的光纤传感器。光通过光纤在内部传输过程中，受到外界因素（如温度、压力、磁场等）的作用，会引起光波的振幅（光强）、相位、偏振态等变化。因此，我们只要测出这些参量随外界因素的变化关系，就可以用它作为传感元件来探测温度、压力、磁场等物理量的变化，这就是光纤传感器的工作原理。光纤传感器可分成光强调制、相位调制、偏振态调制及波长调制四种形式，本实验涉及的是相位调制型光纤温度传感器。温度的变化能引起光纤中光波相位的变化，通过光纤干涉仪检测相位变化即可测得温度。图 5-26-1 是光纤干涉仪测温的原理图。激光通过扩束镜扩束后，由分束器分成两束，分别经透镜耦合进入两根光纤，将两光纤输出端密接在一起，两输出光波在空间叠加形成干涉条纹。今一根光纤为信号臂，被置于恒温器中，一般认为，它在测温过程中光程始终保持不变；另一光纤为信号臂，被置于温度场中，在温度作用下，信号臂光纤的长度和折射率均随之变化。于是输出两光波的光程差（位相差）也发生相应变化，因而使干涉条纹移动。观察干涉条纹移动的数目，便可确定温度的变化。今通过信号臂光纤的光波相位为由温度变化引起的相位变化可写成改写上式可得： 称为光纤温度敏感系数。采用氦氖激光时，对于石英光纤=107实验内容:（一）建立光纤干涉仪实验装置并观察干涉现象1要求自行设计光路，切削好两光纤端面，构成干涉仪，并调出干涉条纹。2观察干涉现象，记录并解释观察结果。 两光纤出射端并行放置与前后错位放置，干涉条纹形状有何变化？怎样放置才能得到圆形干涉条纹？ 两光纤出射端并行放置且有一定角度时，改变其角度，观察干涉条纹变化的规律。 改变进入两光纤的光强比，观察条纹可见度的变化。（二）用自组光纤干涉仪研究温度变化与条纹移动数目的关系要求温度变化范围从室温到 100 摄氏度，做出升温和降温两组温度变化与条纹移动数目的关系曲线。测量温度场中光纤长度 L，算出光纤温度敏感系数并与理论值比较，分析结果的误差原因。实验数据表格及数据处理:温度与条纹变化数(设初始值为 0)的关系表格：T/ 40 42 44 46 48 50 52 54N 0 8 8 9 9 8 9 9T/ 56 58 60 62 64 66 68 70N 8 8 9 9 8 7 8 8T/ 72 74 76 78 80 82 84 86N 8 7 8 8 9 8 8 8T/ 88 90 92 94 96 98 100N 8 7 8 8 7 8 8条纹移动总数与温度变关系图表：计算得，每升高一度移动条纹 4.08 条；根据理论值，一米的光纤每升高一度通过的条纹数为 17；本实验所使用光纤的长度为 0.2 米，理论上每升高一度移动 3.4 条；误差为 。4.0831%6.7实验现象观察结果:(1)两光纤出射端并行放置出现平行干涉直条纹，逐渐使两个光纤出射端错位时干涉直条纹曲率变大，逐渐弯曲，当两光纤出射端错位到一定程度时出现干涉圆环，并且由于不稳定的原因圆环中心不断有圆环冒出或消失；(2)两光纤出射端并行放置且有一定角度时，改变其角度，干涉条纹的间距发生变化；(3)耦合进入两光纤的光强比越接近 1，条纹可见度越大。小于或大于 1 都会使条纹可见度降低。实验注意事项:(1)单模光纤的长度要适当，两光路光程要大致相等；(2)要