光纖傳感器測(cè)量固體材料線脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

何春娟，汪六九，王善才

（中國(guó)人民大學(xué)物理系，北京100872）

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光纖傳感器測(cè)量固體材料線脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

何春娟，汪六九，王善才

（中國(guó)人民大學(xué)物理系，北京100872）

摘 要：對(duì)反射式光纖傳感器測(cè)量固體材料線脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn).光纖探頭采用多光纖同軸發(fā)射／接收，提高了光纖傳感器的靈敏度，低壓硅膠板的加熱方式改變了傳統(tǒng)的加熱方式，提高了溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度，同時(shí)還改進(jìn)了材料的加熱方式，并將傳感器輸出特性的線性區(qū)間與材料熱膨脹時(shí)的線性變化直接對(duì)比進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單且便于操作，可測(cè)量長(zhǎng)度為200mm的樣品，測(cè)得有機(jī)玻璃和黃銅的線膨脹系數(shù)分別為131.4×10(－6)／℃和18.35× 10(－6)／℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)偏差約為1%.

關(guān)鍵詞：線脹系數(shù)；光纖；傳感器

線脹系數(shù)是描述物體由于熱脹冷縮而引起的在一維方向發(fā)生線膨脹的參量，在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械和儀器制造、材料加工等許多工作中是必須考慮的一項(xiàng)重要指標(biāo)，否則將影響工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和儀表的精度.線膨脹是一個(gè)微小長(zhǎng)度，一般在物理實(shí)驗(yàn)室常采用千分表、光杠桿放大法、光學(xué)干涉法［1－2］等進(jìn)行測(cè)量.隨著光纖技術(shù)的發(fā)展和普及，先后出現(xiàn)了利用光纖傳感器測(cè)量線脹系數(shù)的實(shí)驗(yàn)［3－4］，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)光纖探頭和加熱方式進(jìn)行了改進(jìn)，并取得了滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.此實(shí)驗(yàn)可作為學(xué)生研究型或設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn).

1 光纖傳感器的測(cè)溫原理

固體的長(zhǎng)度一般隨溫度的升高而增加，長(zhǎng)度l和溫度t的關(guān)系為l＝l0（1＋αt＋βt2＋…），忽略高次項(xiàng)通?？蓪?xiě)成

式中α是線脹系數(shù)，單位是℃－1，l0為材料在0℃時(shí)的長(zhǎng)度.

圖1 反射式光纖傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖2 光纖傳感器輸出特性曲線（實(shí)測(cè)）

反射式光纖位移傳感器［5］的工作原理如圖1所示，由LED白光源發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射光纖照射到反射體上，被反射體反射的光經(jīng)接收光纖傳至光電三極管，并把所接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，其光強(qiáng)（電壓V）與光纖端面與反射體的位移X有如下關(guān)系：當(dāng)反射體與光纖端面由遠(yuǎn)而近地移動(dòng)過(guò)程中，隨著位移的減小，光纖接收到的光強(qiáng)逐漸增加直至峰值位置（Xmax）；而當(dāng)光纖端面與反射體很近時(shí)，由于兩光纖的光錐角重疊部分很小，發(fā)射光纖所發(fā)出的光反而不易被接收光纖所接收，于是隨著光纖端面和反射體位移越來(lái)越近，接收光纖所接收到的光強(qiáng)越來(lái)越弱.圖2為實(shí)測(cè)的反射式光纖傳感器的輸出特性，峰值兩側(cè)Ⅰ和Ⅱ線性部分是傳感器設(shè)計(jì)的主要依據(jù).根據(jù)被測(cè)材料及溫度測(cè)量范圍，適合選擇Ⅱ線性部分.

在光纖傳感器輸出的線性范圍內(nèi)，有

將材料放置在X0處，作為測(cè)量的起始點(diǎn)，隨著溫度的變化材料的長(zhǎng)度l產(chǎn)生伸縮，位移X與l的關(guān)系：

將（1）式和（3）式代入（2）式，得到光纖傳感器的輸出電壓與溫度之間的關(guān)系：

這樣，將V－X轉(zhuǎn)換成V－t的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了傳感器的精確測(cè)溫.只要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了斜率k1和k2，即可求出被測(cè)材料的線脹系數(shù)α.

2 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

提高光纖傳感器的靈敏度可以通過(guò)改進(jìn)探頭提高光強(qiáng)的耦合效率，本實(shí)驗(yàn)是將光纖探頭端面設(shè)計(jì)為多光纖共軸式的發(fā)射／接收光纖，如圖3所示，其中?1的光纖為發(fā)射光纖，用于光輸出，16根?0.265的光纖為接收光纖，用于接收經(jīng)反射鏡的反射光強(qiáng).

圖3 光纖傳感器的探頭

將帶有反射鏡的測(cè)量帽套在被測(cè)材料的端頭，當(dāng)材料熱脹冷縮長(zhǎng)度發(fā)生改變時(shí)，反射鏡隨材料一同伸縮，從而改變測(cè)量端與光纖探頭的位移，達(dá)到測(cè)量溫度的目的.

為了提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度，將傳統(tǒng)加熱爐的電加熱絲加熱［4］或者水［5］、蒸汽［6］的加熱方式進(jìn)行了改進(jìn)，圖4為改進(jìn)后的溫控系統(tǒng)圖，將2片粘合著低壓硅膠的電熱條的加熱板緊固后放置被測(cè)材料，溫度探頭采用集成溫度傳感器AD590（測(cè)溫范圍為50～150℃，輸出為1μA／℃）吸附在被測(cè)材料上，再通過(guò)10kΩ精密電阻采樣后為10mV／℃，用三位半的數(shù)顯直流電壓表顯示溫度，其分辨率為0.1℃，圖5為實(shí)驗(yàn)裝置圖.

圖4 溫控系統(tǒng)

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 數(shù)據(jù)采集及結(jié)果分析

3.1 光纖傳感器特性曲線的測(cè)量

取發(fā)光二極管的工作電流I＝3.00mA，實(shí)驗(yàn)室溫t室溫＝18.9℃.圖2為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的光纖傳感器輸出電壓與位移的特性曲線.考慮到與樣品材料伸長(zhǎng)量相匹配，選取圖2的Ⅱ部分作為實(shí)驗(yàn)的測(cè)量區(qū)間，取1.700mm≤X≤3.000mm進(jìn)行線性擬合，擬合曲線如圖6所示.線性擬合的結(jié)果：k1＝－11.20mV／mm.

圖6 特性曲線Ⅱ部分的線性擬合

3.2 光纖傳感器溫度響應(yīng)曲線的測(cè)量

仔細(xì)調(diào)節(jié)光纖探頭和反射鏡位置，使光纖輸出電壓讀數(shù)最大（確認(rèn)Xmax的位置），然后縱向調(diào)節(jié)測(cè)量樣品使其遠(yuǎn)離光纖探頭，并且在X0＝3.000mm開(kāi)始測(cè)量，測(cè)溫范圍30.0～70.0℃.圖7和圖8分別為測(cè)量的有機(jī)玻璃和黃銅的溫度響應(yīng)特性.將圖中數(shù)據(jù)匯總在表1中，其中k1＝－11.20mV／mm，l0＝200.000mm.

圖7 有機(jī)玻璃的溫度響應(yīng)特性

圖8 黃銅的溫度響應(yīng)特性

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）光纖傳感器的輸出特性曲線V－X，在1.700mm≤X≤3.000mm范圍內(nèi)，輸出電壓與位移為完全的線性關(guān)系，其靈敏度k1＝－11.20mV／mm與常用的光纖傳感器［3－4］相比提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明采用多光纖共軸式的發(fā)射／接收探頭提高了傳感器的靈敏度.

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2）在光纖調(diào)制曲線所選的線性范圍內(nèi)，光纖傳感器的輸出電壓與被測(cè)材料的溫度V－t為完全的線性關(guān)系，說(shuō)明測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的.

4 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)利用光纖技術(shù)測(cè)量固體材料的線脹系數(shù)，改變了傳統(tǒng)的測(cè)量方法.共軸式多光纖的發(fā)射／接收探頭的設(shè)計(jì)提高了光纖傳感器的靈敏度，使得被測(cè)樣品僅需200mm（通常是500mm）長(zhǎng)度就能完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置的體積因此變得短小精致；低壓硅膠板的加熱方式代替了傳統(tǒng)的加熱爐，提高了溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度；數(shù)據(jù)處理上由光纖傳感器的位移特性和溫度特性2個(gè)線性斜率的相關(guān)關(guān)系推導(dǎo)出固體材料的線脹系數(shù)，可以多點(diǎn)測(cè)量提高測(cè)量精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的相對(duì)偏差約為1%.

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［6］ 丁慎訓(xùn)，張連芳.物理實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京：清華大學(xué)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

作者簡(jiǎn)介：何春娟（1964－），女，山西運(yùn)城人，中國(guó)人民大學(xué)物理系物理實(shí)驗(yàn)中心高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)儀器的研究.

收稿日期：2015－12－22；修改日期：2016－01－08

中圖分類(lèi)號(hào)：O482.23；TP212.14

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005－4642（2016）03－0010－04

［責(zé)任編輯：尹冬梅］