光纤传感器测量固体材料线胀系数实验的改进

何春娟，汪六九，王善才

（中国人民大学物理系，北京100872）



光纤传感器测量固体材料线胀系数实验的改进

何春娟，汪六九，王善才

（中国人民大学物理系，北京100872）

摘 要：对反射式光纤传感器测量固体材料线胀系数实验进行了改进.光纤探头采用多光纤同轴发射／接收，提高了光纤传感器的灵敏度，低压硅胶板的加热方式改变了传统的加热方式，提高了温度测量的准确度，同时还改进了材料的加热方式，并将传感器输出特性的线性区间与材料热膨胀时的线性变化直接对比进行数据处理.改进后的实验装置简单且便于操作，可测量长度为200mm的样品，测得有机玻璃和黄铜的线膨胀系数分别为131.4×10(－6)／℃和18.35× 10(－6)／℃，实验结果的相对偏差约为1%.

关键词：线胀系数；光纤；传感器

线胀系数是描述物体由于热胀冷缩而引起的在一维方向发生线膨胀的参量，在工程结构设计、机械和仪器制造、材料加工等许多工作中是必须考虑的一项重要指标，否则将影响工程结构的稳定性和仪表的精度.线膨胀是一个微小长度，一般在物理实验室常采用千分表、光杠杆放大法、光学干涉法［1－2］等进行测量.随着光纤技术的发展和普及，先后出现了利用光纤传感器测量线胀系数的实验［3－4］，本文在此基础上进一步对光纤探头和加热方式进行了改进，并取得了满意的实验结果.此实验可作为学生研究型或设计型实验.

1 光纤传感器的测温原理

固体的长度一般随温度的升高而增加，长度l和温度t的关系为l＝l0（1＋αt＋βt2＋…），忽略高次项通常可写成

式中α是线胀系数，单位是℃－1，l0为材料在0℃时的长度.

图1 反射式光纤传感器结构图

图2 光纤传感器输出特性曲线（实测）

反射式光纤位移传感器［5］的工作原理如图1所示，由LED白光源发出的光经发射光纤照射到反射体上，被反射体反射的光经接收光纤传至光电三极管，并把所接收到的光信号转换为电压信号，其光强（电压V）与光纤端面与反射体的位移X有如下关系：当反射体与光纤端面由远而近地移动过程中，随着位移的减小，光纤接收到的光强逐渐增加直至峰值位置（Xmax）；而当光纤端面与反射体很近时，由于两光纤的光锥角重叠部分很小，发射光纤所发出的光反而不易被接收光纤所接收，于是随着光纤端面和反射体位移越来越近，接收光纤所接收到的光强越来越弱.图2为实测的反射式光纤传感器的输出特性，峰值两侧Ⅰ和Ⅱ线性部分是传感器设计的主要依据.根据被测材料及温度测量范围，适合选择Ⅱ线性部分.

在光纤传感器输出的线性范围内，有

将材料放置在X0处，作为测量的起始点，随着温度的变化材料的长度l产生伸缩，位移X与l的关系：

将（1）式和（3）式代入（2）式，得到光纤传感器的输出电压与温度之间的关系：

这样，将V－X转换成V－t的测量，实现了传感器的精确测温.只要通过实验确定了斜率k1和k2，即可求出被测材料的线胀系数α.

2 实验装置的设计

提高光纤传感器的灵敏度可以通过改进探头提高光强的耦合效率，本实验是将光纤探头端面设计为多光纤共轴式的发射／接收光纤，如图3所示，其中ϕ1的光纤为发射光纤，用于光输出，16根ϕ0.265的光纤为接收光纤，用于接收经反射镜的反射光强.

图3 光纤传感器的探头

将带有反射镜的测量帽套在被测材料的端头，当材料热胀冷缩长度发生改变时，反射镜随材料一同伸缩，从而改变测量端与光纤探头的位移，达到测量温度的目的.

为了提高温度测量的准确度，将传统加热炉的电加热丝加热［4］或者水［5］、蒸汽［6］的加热方式进行了改进，图4为改进后的温控系统图，将2片粘合着低压硅胶的电热条的加热板紧固后放置被测材料，温度探头采用集成温度传感器AD590（测温范围为50～150℃，输出为1μA／℃）吸附在被测材料上，再通过10kΩ精密电阻采样后为10mV／℃，用三位半的数显直流电压表显示温度，其分辨率为0.1℃，图5为实验装置图.

图4 温控系统

图5 实验装置图

3 数据采集及结果分析

3.1 光纤传感器特性曲线的测量

取发光二极管的工作电流I＝3.00mA，实验室温t室温＝18.9℃.图2为实验测量的光纤传感器输出电压与位移的特性曲线.考虑到与样品材料伸长量相匹配，选取图2的Ⅱ部分作为实验的测量区间，取1.700mm≤X≤3.000mm进行线性拟合，拟合曲线如图6所示.线性拟合的结果：k1＝－11.20mV／mm.

图6 特性曲线Ⅱ部分的线性拟合

3.2 光纤传感器温度响应曲线的测量

仔细调节光纤探头和反射镜位置，使光纤输出电压读数最大（确认Xmax的位置），然后纵向调节测量样品使其远离光纤探头，并且在X0＝3.000mm开始测量，测温范围30.0～70.0℃.图7和图8分别为测量的有机玻璃和黄铜的温度响应特性.将图中数据汇总在表1中，其中k1＝－11.20mV／mm，l0＝200.000mm.

图7 有机玻璃的温度响应特性

图8 黄铜的温度响应特性

实验结果表明：

1）光纤传感器的输出特性曲线V－X，在1.700mm≤X≤3.000mm范围内，输出电压与位移为完全的线性关系，其灵敏度k1＝－11.20mV／mm与常用的光纤传感器［3－4］相比提高了1个数量级，说明采用多光纤共轴式的发射／接收探头提高了传感器的灵敏度.

表1 实验结果

2）在光纤调制曲线所选的线性范围内，光纤传感器的输出电压与被测材料的温度V－t为完全的线性关系，说明测温系统的设计是成功的.

4 结束语

本实验利用光纤技术测量固体材料的线胀系数，改变了传统的测量方法.共轴式多光纤的发射／接收探头的设计提高了光纤传感器的灵敏度，使得被测样品仅需200mm（通常是500mm）长度就能完成实验，实验装置的体积因此变得短小精致；低压硅胶板的加热方式代替了传统的加热炉，提高了温度测量的准确度；数据处理上由光纤传感器的位移特性和温度特性2个线性斜率的相关关系推导出固体材料的线胀系数，可以多点测量提高测量精度，实验结果与标准值的相对偏差约为1%.

参考文献：

［1］ 孙晶华.操纵物理仪器获取实验方法［M］.北京：国防工业出版社，2009：277－284.

［2］ 苑立波.“触摸”科学体验发现：物理原理展示［M］.北京：国防工业出版社，2009：241－249.

［3］ 俞世刚，潘日敏，许富洋.基于光纤传感技术的金属线胀系数的非接触测量［J］.传感器技术，2005，24 （2）：66－67.

［4］ 贾亚民，杨拴科，朱钧.基于强度补偿式光纤传感器测量金属线胀系数［J］.物理实验，2008，20（10）：1－4.

［5］ 张广军.光电测试技术［M］.北京：中国计量出版社，2008：287－290.

［6］ 丁慎训，张连芳.物理实验教程［M］.北京：清华大学出版社，2002：39.

Improvement on the experiment of measuring the linear expansion coefficient experiment of solid material with optical fiber sensor

HE Chun－juan，WANG Liu－jiu，WANG Shan－cai
（Department of Physics，Renmin University of China，Beijing 100872，China）

Abstract：The experiment of measuring the linear expansion coefficient of solid material by using reflective optical fiber sensor was improved.To enhance the sensitivity of the fiber optical sensor，the method of multi fiber coaxial emission／receiving was adopted.To increase the accuracy of temperature measurement，the low－voltage silicon heating sheet was used instead of the traditional heating methods.The linear range of the sensor output was directly compared with the linear variation of the thermal expansion of the material.The improved experimental apparatus was simple and easy to operate，the measuring length of the sample was 200 mm，and the measured linear expansion coefficient of plexiglass and brass were 131.4×10(－6)／℃and 18.35×10(－6)／℃，the error of the experimental results was about 1%.

Key words：linear expansion coefficient；fiber；sensor

作者简介：何春娟（1964－），女，山西运城人，中国人民大学物理系物理实验中心高级工程师，学士，主要从事物理实验教学和实验仪器的研究.

收稿日期：2015－12－22；修改日期：2016－01－08

中图分类号：O482.23；TP212.14

文献标识码：A

文章编号：1005－4642（2016）03－0010－04

［责任编辑：尹冬梅］