光纤温度传感器特性的研究

光纤温度传感器特性的研究〖摘要〗本实验采用光纤双光束干涉的方法，测定并研究了其干涉条纹随温度的变化，并与理论值进行了比较。〖关键词〗光纤折射率温度干涉1引言光纤折射率不仅是波长的函数,而且与光纤的环境温度密切相关。光纤折射率是光纤设计与制作的重要参数之一，也是商用化光纤产品的特性参数。光纤折射率的温度相关特性对于光纤光缆设计、光纤传感器设计、光纤探测仪器和光纤测试等具有重要意义。【1】光通过在光纤内部的传输，受到外界因素（如温度等）的影响，光波的振幅、光强、香味、偏振态等会发生变化。所以，如果测出这些光的参量随外界因素的变化规律便可利用光纤实现各种传导功能。2实验原理用激光器照射两根紧贴放置的形状一样的光纤的一端，由于激光相干性极高，在另一端能观察到明显的干涉条纹，通过改变其中一根光纤的局部温度，导致光纤内部折射率改变，从而光程发生变化，反映在干涉条纹上，即能观察到干涉条纹移动，记录条纹移动级数N，进而求的折射率改变，调节温度，得到该光纤折射率随温度变化关系。其实验仪器如下图所示：图1干涉法测光纤折射率的温度特性装置图令通过加热器的光相位为φ，波长为λ，加热器中光纤的长度为L，光纤折射率为n，则有nLλ2φ当温度改变导致光纤折射率和长度改变时nLLnnLLLnn22【2】考虑受温度影响，上式化为TLLnTnTL2对于石英玻璃光纤46.1n，CTn/1015,线膨胀系数CTLL/1057,试验用氦氖激光器波长约630nm，带入即可得CmradTLNTL/`20.172即单位长度光纤变化单位温度产生的条纹移动为17级。3实验过程1.组建实验仪器，并在读数显微镜中调节出清晰明亮的干涉条纹（1）将两根长度形状一致的光纤的两端削平，并露出石英部分。两根光纤的两端部分紧贴放置并用橡皮泥固定在架子上。（2）用激光器照射其中一端，使光线均匀进入两根光纤。（3）观察出射端两束光，同时调整激光器入射位置，使两束光强度一致。（4）在另一端用读数显微镜观察，调整得到清晰干涉条纹。2.启动加热装置，改变其中一根光纤局部温度，记录条纹随温度变化的移动情况。（1）从室温开始，以此时条纹位置为零点，打开加热器开始加热。（2）从室温一直加热到100℃为止，根据温度计示数，间隔5℃记录下条纹级数。3.测量加热部分光纤长度，处理数据（1）用直尺测量加热器筒中加热部分长度L。（2）将得到的温度和对应条纹级数用软件拟合得到NTD-D关系图，比较斜率与理论值。4.实验结果及分析我们总共完成了两组实验，分别从37℃和61℃开始测量。数据如下：L=20mm⑴T3738394041424344454647484950N010162329344043485360636673T5152535455565758596061626364N798487929699102104107111114118122125T6566676869707172737475767778N129133136140142144149153158161164168171173T7980N176179通过excel模拟结果如下：从拟合结果上看k=3.945，989.02R⑵T6162636465666768697071727374N712202529333944485054586366T7576777879808182838485868788N7074788185899296101103108111113118T8990919293949596979899100N121124127131135139144147150153156159同样通过excel进行拟合，结果如下从拟合结果上看k=3.782,997.02R。分析：从两组数据的2R上看，两组数据的线性都比较好，k值也比较接近而理论值4.3172.0理论k则可以看出第二组数据y=3.782x-215.6，R²=0.997更接近理论值，且其线性性也更好。相对误差：2.114.34.3782.3100理论理论kkkUr结果分析：㈠我们选取了与理论值比较接近的第二组实验数据作为结果，但是仍有11.2％的相对误差，说明实验过程出现了比较大的失误。经过分析，我觉得误差来源可能有①对于加热筒加热长度L的测量误差，以及由于加热筒两端隔热性较差带来的温度误差②测温器测温位置不当或者其精度不高带来的测温误差③由于干涉条纹较暗，因长时间计数导致观察者疲劳而出现计数误差。④经过观察发现，主要是刚开始升温时的几组数据与理论值相差较远，因此可能是刚开始升温时，加热筒内温度不均匀或是干涉条纹不稳定导致了较大的误差㈡本实验需要对移动干涉条纹进行大量、长时间持续计数，因此在实验开始的调试过程中，一定要力求将干涉条纹调整到十分清晰，易分辨的状态，否则在实验进行过程中，观察者会因疲劳而产生不必要的技术误差。另外，我也希望能通过改进计数方法来降低实验难度㈢本实验在升温时，要注意选择合适的加热电流，加热太慢会导致实验时间过长，而加热太快会导致条纹移动速度过快难以计数。5.总结本实验采用光纤双光束干涉的方法，测定并研究了其干涉条纹随温度的变化，并与理论值进行了比较。实验测得CNTk/782.3,尽管与理论值相比存在一定的误差，但是可以看出数据的线性性比较好，因此利用光纤的这种特性，我们可以很好的测量温度变化。参考文献【1】周殿清，张文炳，冯辉.基础物理实验[M]．北京：科学出版社，2009．【2】游璞，于国萍，光学。高等教育出版社。