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光纤传感实验
光纤特性的研究和应用是20世纪70年代末发展起来的一个新的领域。光纤传感器件具有体积小、重量轻、抗电磁干扰强、防腐性好、灵敏度高等优点用于测量压力、应变、微小折射率变化、微振动、微位移等诸多领域。特别是光)=klAn+knAl
00
光纤长度和直径的变化以及折射率的变化都会引起相位调制。
(5)
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温度变化对相位调制的作用：有式（4）有
(7)
(8)
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加i(i心丄Al)(5)
=k(l+n)(5)
AT0ATAT
1心了/AnnA/
及二k(+)(6)
lAT0ATlAT
(4)马赫—曾德尔(Mach-Zehnder)光纤干涉仪的结构与测温原理
马赫——曾德尔光纤干涉仪是最早用于温度测量的一种光纤温度传感器，干涉仪由两臂组成，一个是参考臂，提供相位基准;另一个是传感臂，用于光相位调制，对待测物理量的变化敏感。参看图3，由氦氖激光器发出的激光经分束器分成两路，分别送入两根长度基本相同的单模光纤。将两根光纤的输出端并合到一起，在输出光斑重叠区将出现干涉光场。
测量臂光纤受到温度场作用，纤芯折射率和几何长度会有一微小变化，使沿此臂传播的光波光程发生变化，则两臂输出端光波相位差发生变化，从而引起干涉场干涉条纹的移动。显然，干涉条纹的移动数目反映出温度场温度的变化。
L—氦氖激光器；M和M——反射镜；
a12
(8)
(8)
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BS—分束镜；TV—显示器；L、L——聚光镜；
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OF、OF--单模光纤；Mi、CCD--成像装置；HF--恒温器
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测量臂光波相位变化是由温度引起的，由(6)给出了光纤干涉仪的温度灵敏度：
或者
A申
AT*l
2兀/AnnAl、
(+)
XATlAT
0
(8)
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A®1*An1*Al
'—*+_*
®AT~nATlAT
(10)
(8)
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式中l为测量臂置于温度场部分的长度，AT为温度变化量，申=nl。当入0
温度变化AT时，干涉场中任意一点上干涉条纹的移动数目为△□,则相位变化
量
A申二2兀Am(9)
当干涉仪用的单模光纤的规格已知时，光纤的温度灵敏度就是确定的值。例
如，剥去护套层的石英玻璃光纤，其1(攵)*10-5/°C,其线性膨胀系数
nAT
,乂)*10-7/C，入0=，代入式(8),算出裸光纤的温度灵敏度
lAT0
-A^=*10-5/C
申AT
或者由n=,入=,也二1*10-5/C,A**10-7/C及式
0ATATl
(7)算出光纤温度灵敏度如二107rad/(C*M)。
lAT
由于石英光纤的热膨胀系数极小(*10-7/C)，其温度灵敏度几乎完全由折射率变化(*10-5/C)所决定。为了提高光纤温度灵敏度，在石英光纤外面包有一层护套层，使护套层材料的杨氏模量和膨胀系数对光纤的温度灵敏度有较大影响，这种做法称为对光纤进行温度“增敏”。计算表明，有护套层的石英光纤灵敏度
=*10-5/C申AT
比裸光纤(誥=。.74*10-5/⑺大很多。
蚩考臂光纤压力传感实验仪模块示意图
图4传感器原理图
测里臂
an和显示器
報光器
五錐微调架
加热装置
分束器
四、实验基础内容
光纤端面制作说明：用光纤剥线钳剥去涂敷层，光纤有三层、四层、五层之分，如果是三层光纤，先用拨线钳剥去涂敷层，将剩下的包层和纤芯嵌入光纤夹具，用宝石刀切割端面，制备出完好的光纤端面；若是四层光纤，应先剥去外保护层，其它步骤同上；若是五层光纤，应先剥去第五和第四保护层，其它步骤同上。
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光纤耦合效率测量
，切好端面，将切好端面的光纤固定在五维调整架上，并使光纤大致对准激光器；
，调节“电流调节”旋钮，使电流值为5mA；
3•粗调节：调节五维调整架，使激光打在光纤端面上，光纤的另一端（PC头）是旋入功率计测量端口上；
按下“山”键打开光功率计；按下“久”键选择光波长为633nm；按“W/dBm”键选择pW为测量单位；
细调节：仔细调节五维调整架，使得激光与光纤的耦合达到最佳状态，当功率计示数最大时，记录光功率计读数。重复步骤5三次，记录三组实验数据；计算耦合效率；
实验完毕后，长按光功率计“山”键关闭光功率计并拔下光功率计电源；关闭激光器电源。
3光纤传感实验
1•打开机箱总电源；打开激光器电源，调节激光器电流示数为4mA；打开显示器电源；