基于仿真平臺(tái)光纖傳感器實(shí)驗(yàn)研究

梁振宇，史 悅

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 四川 廣漢 618307）

1 引言

光纖傳感技術(shù)誕生于20世紀(jì)70年代，相比傳統(tǒng)的傳感技術(shù)，它克服了抗干擾能力弱、重量大、體積大、安全性低的缺點(diǎn)，從而迅速發(fā)展。如我們現(xiàn)在常見(jiàn)的光纖通信，利用光波實(shí)現(xiàn)了信息的傳送[1]。在軍用技術(shù)上，早在上世紀(jì)80年代，我國(guó)便開(kāi)展了基于光纖Sagnac干涉儀的光纖陀螺（FOG）研究[2]。微納光纖[3]是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的、直徑接近或小于傳輸光波長(zhǎng)的一種新型光纖。隨著社會(huì)信息化速度加快，不少高校開(kāi)設(shè)了光纖技術(shù)相關(guān)的課程以及實(shí)驗(yàn)[4]。2019年末，新冠疫情來(lái)襲，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)興起，而實(shí)驗(yàn)課程也完成了由實(shí)體實(shí)驗(yàn)到基于仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)化。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)原理

光纖傳感器將被測(cè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)化，利用光的相關(guān)性質(zhì)如波長(zhǎng)、光強(qiáng)等參數(shù)的變化以探測(cè)被測(cè)參數(shù)的變化情況。這種方式極大地改善了測(cè)量手段和準(zhǔn)確性。光纖傳感器一般分為物性型光纖傳感器和結(jié)構(gòu)性光纖傳感器，文中使用的是前者。

2.1 光纖傳輸原理

在實(shí)驗(yàn)中使用的光纖結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)層不定，但用于傳輸光信號(hào)的部分在光纖的最內(nèi)層纖芯，而第二層的包層則是利用光波全反射的原理從而隔絕光信號(hào)，第二層以外則屬于保護(hù)層，與光信號(hào)傳輸沒(méi)有關(guān)聯(lián)。用于傳輸光信號(hào)部分的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中纖芯和包層都屬于光介質(zhì)，但二者具有不同的折射率，即n1＞n2，從而保證光信號(hào)能在纖芯內(nèi)部進(jìn)行全反射，以此使光信號(hào)在同一封閉區(qū)域中傳輸。

圖1 光纖傳輸原理

為保證光線(xiàn)能完成全反射，必須滿(mǎn)足全反射條件，即θ＜。

實(shí)現(xiàn)全反射的臨界入射角為：

由此可知，光纖臨界入射角大小由光纖自身性質(zhì)決定。

2.2 光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)和測(cè)溫原理

光纖干涉儀由兩條支線(xiàn)構(gòu)成，一個(gè)是參考支線(xiàn)，提供光信號(hào)的相位參考值；另一個(gè)是熱敏傳感支線(xiàn)，用于相位調(diào)制，反映出待測(cè)物理量的熱敏變化。氦氖激光器產(chǎn)生激光光源，經(jīng)分束器分為兩個(gè)等效光源，分別送入長(zhǎng)度一致的兩根單模光纖，其輸出端連接在一起，通過(guò)等效光源的干涉現(xiàn)象，使輸出處復(fù)合區(qū)出現(xiàn)光波干涉。

在加熱區(qū)的熱敏傳感光纖，由于溫度的變化，纖芯折射率和幾何長(zhǎng)度會(huì)隨溫度變化而產(chǎn)生微小變化量，使得此支線(xiàn)中所傳輸光信號(hào)的光波光程產(chǎn)生變化，則兩條支線(xiàn)所輸出的光波相位差產(chǎn)生變化，此時(shí)干涉場(chǎng)中的干涉條紋會(huì)隨之發(fā)生移動(dòng)，如圖2所示。顯然，隨著溫度場(chǎng)的溫度升高，干涉條紋會(huì)隨之移動(dòng)，而移動(dòng)的條數(shù)越多，溫度改變量越大。

圖2 傳感器原理圖

熱敏傳感支線(xiàn)的光波相位變化是由溫度引起的，光纖干涉儀的溫度靈敏度：

其中l(wèi)為熱敏傳感支線(xiàn)中，光纖處于溫度場(chǎng)部分的長(zhǎng)度?！鱐為溫度變化量。當(dāng)△T產(chǎn)生變化時(shí)，干涉場(chǎng)中任意一點(diǎn)上干涉條紋的移動(dòng)數(shù)目為△，則相位變化量：

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 設(shè)備連接及設(shè)定

首先將激光器和顯示器電源打開(kāi)，根據(jù)圖2中的傳感器原理，將激光光源通過(guò)光纖傳輸至分光裝置。調(diào)節(jié)分光裝置與聚光裝置的支架的豎直高度與水平位置，使經(jīng)過(guò)分束鏡分開(kāi)后的光線(xiàn)，再經(jīng)棱鏡聚合照射到CCD上時(shí)，能在顯示器上觀(guān)察到清晰的干涉條紋，設(shè)備連接及顯示如圖3、圖4所示。

圖3 設(shè)備連接圖

圖4 分光裝置和顯示器

3.2 數(shù)據(jù)測(cè)量以及測(cè)量結(jié)果

按下數(shù)顯調(diào)節(jié)儀上的溫度設(shè)定按鈕，設(shè)置最高加熱溫度，彈起溫度設(shè)定按鈕，此時(shí)數(shù)顯調(diào)節(jié)儀上顯示的是將被加熱的光纖實(shí)時(shí)溫度。打開(kāi)加熱開(kāi)關(guān)，在顯示器上選擇合適的參考位置，觀(guān)察條紋變化，條紋每移動(dòng)3條，記錄其對(duì)應(yīng)溫度，記錄14組數(shù)據(jù)。被加熱的光纖長(zhǎng)度以?xún)x器上顯示的長(zhǎng)度計(jì)算計(jì)算，給出升溫時(shí)光纖溫度靈敏度。關(guān)閉加熱電源，加熱裝置自然降溫，在顯示器上選擇合適的參考位置，觀(guān)察條紋變化，記錄降溫時(shí)的溫度變化數(shù)據(jù)，給出降溫時(shí)光纖溫度靈敏度。

升溫過(guò)程測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1，降溫過(guò)程測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 升溫過(guò)程測(cè)量結(jié)果

表2 降溫過(guò)程測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

在光纖傳感器實(shí)體實(shí)驗(yàn)中，需要大量的實(shí)驗(yàn)器材，并且測(cè)量結(jié)果往往受到主觀(guān)因素和系統(tǒng)誤差的影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不理想，從而影響學(xué)生對(duì)于該實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知和學(xué)習(xí)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，有效地降低了實(shí)驗(yàn)成本，并且降低了主觀(guān)因素和系統(tǒng)誤差的影響，也使得實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)不受時(shí)間、空間以及新冠疫情的限制。使得該實(shí)驗(yàn)教學(xué)得以安全、高效地進(jìn)行。