光纖環(huán)及其骨架材料膨脹系數(shù)測(cè)量方法研究與實(shí)現(xiàn)

高涵，陳亮，韓正英，金尚忠

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院，浙江杭州310018;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41研究所，山東青島266555)

光纖環(huán)及其骨架材料膨脹系數(shù)測(cè)量方法研究與實(shí)現(xiàn)

高涵1，陳亮1，韓正英2，金尚忠1

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院，浙江杭州310018;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41研究所，山東青島266555)

介紹了一種光纖環(huán)及其骨架膨脹系數(shù)的簡(jiǎn)易測(cè)量方法，并組建了測(cè)量系統(tǒng)。利用鋁材和不銹鋼，對(duì)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)用該系統(tǒng)測(cè)量了光纖環(huán)及不同骨架的膨脹系數(shù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠?yàn)檎页雠c光纖環(huán)相匹配的骨架材料提供技術(shù)支撐，具有一定的實(shí)用和推廣應(yīng)用價(jià)值。

光纖環(huán);骨架材料;膨脹系數(shù);測(cè)量

0 引言

光纖陀螺是一種慣性儀表，它是通過(guò)檢測(cè)光纖環(huán)中順、逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)膬墒獾墓獬滩顏?lái)測(cè)量載體的旋轉(zhuǎn)速率。目前光纖陀螺用光纖環(huán)主要有兩種:有骨架和無(wú)骨架，應(yīng)用較多的是有骨架的光纖環(huán)，但是由于光纖環(huán)與骨架材料的膨脹系數(shù)通常不一致，在環(huán)境溫度變化時(shí)骨架會(huì)對(duì)光纖環(huán)產(chǎn)生擠壓或拉伸，對(duì)光纖環(huán)的性能造成較大影響，所以，通常需要對(duì)光纖環(huán)及其骨架材料的膨脹系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，以便找出與光纖環(huán)相匹配的骨架材料［1－3］。

對(duì)固體材料線性膨脹系數(shù)的測(cè)量方法主要有頂桿式膨脹計(jì)法、干涉法、激光干涉法。頂桿式膨脹計(jì)法常用于耐火材料，這種測(cè)量方法采用的儀器設(shè)備多為電感式膨脹儀，其傳感器為差動(dòng)變壓器。雖然該方法能涵蓋低溫、中溫和高溫范圍，測(cè)量范圍廣，但由于實(shí)驗(yàn)時(shí)頂桿和支持器尺寸較長(zhǎng)，高溫爐難以溫度均勻地對(duì)試樣進(jìn)行加熱，頂桿和支持器之間的膨脹量一般難以互相抵消，所測(cè)得膨脹測(cè)量值在多數(shù)情況下需要矯正。

干涉法利用邁克爾遜干涉儀干涉原理測(cè)量試樣的線變化，主要用于固體材料線膨脹系數(shù)的測(cè)量［4］。由于使用該方法測(cè)量時(shí)邁克爾遜干涉儀鏡面的移動(dòng)是通過(guò)加熱固體試樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在溫度較高時(shí)有偏離原方向的可能性，因而增加了實(shí)驗(yàn)的操作難度，另外該方法對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求也比較高。

激光干涉法具有測(cè)量準(zhǔn)確和測(cè)量分辨力高的優(yōu)點(diǎn)，主要在一些國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)和對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度有很高要求的實(shí)驗(yàn)室中使用，由于設(shè)備昂貴，一般不適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。同時(shí)該方法僅測(cè)量試樣的長(zhǎng)度隨溫度的絕對(duì)變化，不與其他任何物質(zhì)的物性發(fā)生關(guān)系，屬于絕對(duì)測(cè)量方法［2，5］。另外，在采用激光干涉法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要試樣表面有足夠的光反射強(qiáng)度，以便采集、測(cè)量干涉條紋的變化，在加熱過(guò)程中材料會(huì)發(fā)生形變和相變，樣品表面質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化，特別是在高溫環(huán)境下，有時(shí)材料表面質(zhì)量難以保證能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求。

通過(guò)比較可以看出，上述幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但均不適宜用于光纖環(huán)及其骨架材料膨脹系數(shù)的測(cè)量。為此我們研制了一種用于光纖環(huán)及其骨架材料膨脹系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 測(cè)量原理

通常固體的長(zhǎng)度隨溫度變化而改變，其長(zhǎng)度和溫度之間的關(guān)系為L(zhǎng)=L0(1+αt+βt+…)。式中:L0為t=0℃時(shí)固體的長(zhǎng)度;α，β，…是與被測(cè)物質(zhì)相關(guān)的常數(shù)。除α外各系數(shù)與α相比很小，在常溫下可以忽略，因此有L=L0(1+αt)，當(dāng)固體的溫度分別為t1和t2時(shí)，其對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度L1和L2可分別表示為

聯(lián)立(1)，(2)式可得

式中:α稱為固體的線性膨脹系數(shù)，℃－1;ΔL為長(zhǎng)度的變化量，mm;Δt=t2－t1為溫度差，℃。由(4)式可見，只要測(cè)出L1，ΔL，t1，t2就可以求出α值。在測(cè)量光纖環(huán)及其骨架基本結(jié)構(gòu)膨脹系數(shù)時(shí)，徑向ΔL記為ΔR，軸向ΔL記為ΔD。

2.2 系統(tǒng)組建

光纖環(huán)及其骨架膨脹系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，測(cè)量系統(tǒng)由底座、光纖環(huán)及其骨架用夾持機(jī)構(gòu)、測(cè)量探針、位移數(shù)顯表組成，夾持機(jī)構(gòu)、探針、位移數(shù)顯表均需位于同一垂直線上垂直于測(cè)量底座。其中光纖環(huán)及其骨架用夾持機(jī)構(gòu)及測(cè)量用探針由熱惰性材料制成，以降低熱傳遞效率，避免被測(cè)光纖環(huán)及其骨架固定時(shí)局部溫度的驟變，減小位移測(cè)量的誤差;另外為加大探針與被測(cè)件的接觸面積，降低接觸點(diǎn)的壓強(qiáng)，將探針的直徑尺寸設(shè)計(jì)約為10 mm，能有效減小被測(cè)件接觸點(diǎn)的壓變形;位移數(shù)顯表為內(nèi)置光柵尺式，其位移測(cè)量分辨力達(dá)0.001 mm，能夠直接測(cè)量光纖環(huán)及其骨架材料徑向和軸向長(zhǎng)度微小相對(duì)變化量。

圖1 膨脹系數(shù)測(cè)量示意圖

從公式(4)中可以看出，為使光纖環(huán)或骨架的膨脹系數(shù)精度保持較好水平，需要調(diào)高L1，ΔL，t1，t2的測(cè)量精度，特別是對(duì)ΔL的測(cè)量，由于變化量較小，對(duì)測(cè)量?jī)x器的要求較高，為此在測(cè)量系統(tǒng)的組建過(guò)程中對(duì)微位移和溫度的高精度測(cè)量進(jìn)行了重點(diǎn)考慮。

2.2.1 微位移的測(cè)量

采用內(nèi)置光柵尺的位移數(shù)顯表測(cè)量光纖環(huán)及其骨架的微小膨脹量，位移數(shù)顯表包含光柵尺傳感器和數(shù)顯表，其中光柵尺傳感器利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量器件，其測(cè)量的輸出信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有測(cè)量范圍大、精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn);數(shù)顯表是對(duì)光柵尺傳感器輸出脈沖的接收、計(jì)數(shù)、處理并顯示的部件。本測(cè)量系統(tǒng)中采用的位移數(shù)顯表的測(cè)量分辨力為0.5μm，測(cè)量誤差為1μm，通常測(cè)量的微位移最小數(shù)值能達(dá)到30μm以上，由此引起的測(cè)量偏差可控制在3%，對(duì)光纖環(huán)及其骨架的膨脹系數(shù)的測(cè)量結(jié)果造成的影響可以忽略。

2.2.2 溫度控制箱

溫度控制箱主要為光纖環(huán)及其骨架膨脹系數(shù)測(cè)量提供環(huán)境條件，該設(shè)備采用半導(dǎo)體制冷/熱源，采用高精度智能化PID溫度控制儀表，既能顯示溫度又能控制溫度，通過(guò)專用控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷器制冷/制熱自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制，將溫度控制在所設(shè)定的溫度值上，同時(shí)在溫度控制范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)八段可編程溫度控制，本系統(tǒng)采用的半導(dǎo)體制冷/制熱溫度控制箱，其溫度的控制范圍達(dá)到－45～+85℃，控溫誤差為0.1℃。

2.2.3 被測(cè)件溫度測(cè)量

由于溫度控制箱顯示的溫度與放置在腔體光纖環(huán)及其骨架的實(shí)際溫度有一定差別，為得到被測(cè)件精確的溫度值，采用對(duì)被測(cè)件進(jìn)行直接測(cè)溫的方法。為此，設(shè)計(jì)了一四路測(cè)溫測(cè)量?jī)x，將其中的三個(gè)小型溫度探頭直接粘貼在被測(cè)件的三個(gè)不同部位，待溫度平衡時(shí)三個(gè)探頭測(cè)量值在誤差范圍內(nèi)應(yīng)一致，以此溫度值為被測(cè)件的實(shí)際溫度計(jì)算膨脹系數(shù)。

2.2.4 溫度傳感器

由于溫度控制箱的腔體較小，同時(shí)考慮內(nèi)部溫度場(chǎng)問(wèn)題，對(duì)腔體的密封要求較高，所以，測(cè)溫儀所選用的溫度傳感器體積要盡可能小，測(cè)溫線性好，連接導(dǎo)線要盡可能細(xì)。溫度傳感器種類繁多，常見的主要有熱電偶、鉑電阻、模擬集成溫度傳感器以及熱敏電阻等。

1)熱電偶。根據(jù)熱電效應(yīng)原理將溫度變化轉(zhuǎn)變成電壓變化的熱敏傳感器，其靈敏度一般在－200～+ 2000℃之間，經(jīng)常應(yīng)用于500℃以上的高溫區(qū)。

2)鉑電阻。鉑電阻具有溫度系數(shù)高、電阻率高、性能穩(wěn)定、輸出特性良好等特點(diǎn)，接近測(cè)量范圍極限時(shí)呈非線性，但在非極限測(cè)量范圍內(nèi)線性度好，每攝氏度可以改變幾分之一歐姆，測(cè)溫范圍為－260～+ 850℃，適合穩(wěn)定性為0.05℃的系統(tǒng)。

3)模擬集成溫度傳感器?？赏瓿蓽囟葴y(cè)量及模擬信號(hào)輸出功能的專用集成電路，如AD590，LM335等。它們的特點(diǎn)是功能單一、靈敏度高、測(cè)溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、線性度好;其缺點(diǎn)是測(cè)溫范圍比較窄。其中，AD590/592測(cè)溫范圍為－25～+105℃，LM335測(cè)溫范圍為－40～+100℃。

4)熱敏電阻。熱敏電阻具有穩(wěn)定性好、尺寸小、靈敏度高和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，每攝氏度可以改變幾百萬(wàn)歐姆，適合穩(wěn)定性超過(guò)0.01℃的系統(tǒng);但熱敏電阻的電阻率隨溫度的增加而非線性減小，測(cè)溫范圍也較窄(－80～+150℃)。

綜合考慮溫度傳感器性能，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，最終選擇精度較高的AD590作為測(cè)溫儀用溫度傳感器，測(cè)溫范圍－55～+150℃，非線性誤差±0.3℃，測(cè)溫誤差±0.1℃，可以滿足溫度測(cè)量需要。

2.3 測(cè)量方法

光纖環(huán)及其骨架膨脹系數(shù)的測(cè)量分為徑向和軸向。測(cè)量徑向膨脹系數(shù)時(shí)，將被測(cè)光纖環(huán)置于高低溫交變實(shí)驗(yàn)箱中升高溫度至60℃并保持足夠時(shí)間，當(dāng)光纖環(huán)所處溫度均勻后，迅速通過(guò)測(cè)量裝置的固定塊垂直于底座放置，同時(shí)將位移數(shù)顯表置零，保持裝置不動(dòng)，使測(cè)針壓在被測(cè)光纖環(huán)徑向最高點(diǎn)，待被測(cè)光纖環(huán)溫度冷卻到室溫后，讀出位移數(shù)顯表讀數(shù)，該讀數(shù)即為徑向變化量ΔR，同時(shí)在室溫下測(cè)出被測(cè)光纖環(huán)的基本尺寸L，采用上述公式(4)計(jì)算得徑向膨脹系數(shù)。測(cè)量光纖環(huán)軸向膨脹系數(shù)時(shí)，需將光纖環(huán)固定于夾持裝置平行于底座放置，將加熱后溫度均勻的光纖環(huán)軸向一側(cè)垂直于測(cè)針?lè)胖?，同時(shí)將位移數(shù)顯表置零，待被測(cè)光纖環(huán)溫度冷卻到室溫后讀出位移數(shù)顯表讀數(shù)，該讀數(shù)即為軸向變化量ΔD，同樣地代入上述公式(4)計(jì)算可得軸向膨脹系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，我們分別測(cè)量了鋁合金環(huán)、無(wú)骨架光纖環(huán)及不同材料骨架徑向和軸向膨脹系數(shù)。具體測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 膨脹系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)可以看出所測(cè)得的鋁合金環(huán)和不銹鋼環(huán)徑向和軸向膨脹系數(shù)基本相同，且與其理論值(鋁合金:1.88×10－5～2.36×10－5，不銹鋼:1.44×10－5～1.60×10－5)相近，由此表明該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所測(cè)得的數(shù)據(jù)是可靠的和可信的。比較1#和2#材料骨架的測(cè)量數(shù)據(jù)，可以看出，1#材料骨架徑向變化量波動(dòng)較大，可能發(fā)生了形變或膨脹系數(shù)不均勻，不適宜作光纖環(huán)的骨架; 2#材料骨架軸向和徑向膨脹系數(shù)變化不大，比較適合用作光纖環(huán)的骨架。

4 結(jié)論

本文所述測(cè)量方法采用了微位移法直接測(cè)量光纖環(huán)及其骨架材料徑向和軸向長(zhǎng)度微小變化量;該測(cè)量方法測(cè)量范圍較大，對(duì)被測(cè)材料的形狀沒(méi)有特別要求，也無(wú)需對(duì)被測(cè)件進(jìn)行特殊加工。較之其他方法，本文所介紹的方法不需要繁雜的測(cè)量過(guò)程，對(duì)測(cè)量環(huán)境的溫度也沒(méi)有特殊要求，能夠滿足光纖環(huán)及其骨架膨脹系數(shù)的測(cè)量，為找出與光纖環(huán)相匹配的骨架材料提供技術(shù)支撐。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在一定的局限性，只能用于高溫部分的膨脹系數(shù)的測(cè)量，不適宜用于低溫情況下的測(cè)量。

［1］Farkas D，Birchenall C E.New Eutectic Alloy sand Their Heats of Transformation［J］.Metallurgical Transaction A，1985 (16A):323－328.

［2］Hiromichi Watanabe，Yamada N，Okaji M.Development of a Laser Interferometric Dilatometer for Measurements of Thermal Expansion of Solidsinthe Temperature Range 300 to 1300K［J］. Internationnal Joural of Thermophysics，2002，23(2): 543－544.

［3］韓書新.光纖陀螺用保偏光纖及光纖環(huán)測(cè)試方法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2009.

［4］鄭文軒，吳勝舉，楊瑛.用邁克爾遜干涉儀測(cè)固體線脹系數(shù)［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2007，5(6):8－9.

［5］王勇，湯劍鋒.激光干涉法測(cè)固體的線膨脹系數(shù)［J］.湖南文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，21(3): 48－49.

Study on the M easurement of Linear Expansion Coefficient of Fiber Loop and Its Skeleton

GAO Han1，CHEN Liang1，HAN Zhengying2，JIN Shangzhong1
(1.College of Opto－electronic Technology，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China; 2.The 41st Research Institute of CETC，Qingdao 266555，China)

An easymeasurementmethod is proposed for the linear expansion coefficient of fiber loop and its skeleton，and ameasurement system was established.Aluminium products and stainless steelwere used to verify the feasibility of the system.By analysing the linear expansion coefficient of the fiber loop and different skeletons，we concluded that this system could be used in finding skeletons that match the fiber loop.This system is practical with a wide range of application.

fiber loop;skeleton material;linear expansion coefficient;measurement

TB96;TN253

A

1674－5795(2015)01－0045－04

10.11823/j.issn.1674－5795.2015.01.11

2014－10－22;

2014－11－17

高涵(1994－)，女，本科在讀，從事光纖通信和光纖傳感方向的研究;陳亮，男，副教授，博士(后)，從事光電探測(cè)系統(tǒng)、光電智能儀器及LED智能照明技術(shù)方向的研究。