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基于仿真平台光纤传感器实验研究
梁振宇,史悦
(中国民用航空飞行学院四川广汉618307)
【摘要】光纤传感技术相比传统技术拥有众多优点,随着该技术的发展,在多所高校也开展了相关的实验项目该
实验常用的方法为驻波法和相位比较法,但在实体实验中,往往因为各种仪器误差和环境因素,导致两种方式测量结果
有所偏差。通过仿真实验平台进行该实验,有效避免了上述问题,并且不受空间限制,极大地满足了新冠疫情期间线上
教学的要求。
【关键词】光纤;仿真实验;线上教学
【中图分类号】【文献标识码】A【文章编号】1009-5624(2021)05-0027-02
1引言包层“2
光纤传感技术诞生于20世纪70年代,相比传统/
的传感技术,它克服了抗干扰能力弱、重量大、体积
大、安全性低的缺点,从而迅速发展。如我们现在常
见的光纤通信,利用光波实现了信息的传送[1]。在军
用技术上,早在上世纪80年代,我国便开展了基于光
纤Sagnac干涉仪的光纤陀螺(FOG)研究[2]。微纳光
图1光纤传输原理
纤[3]是近年来发展起来的、直径接近或小于传输光波
长的一种新型光纤。随着社会信息化速度加快,不少为保证光线能完成全反射,必须满足全反射条件,即
高校开设了光纤技术相关的课程以及实验⑷。2019年°<仇。
末,新冠疫情来袭,网络教学兴起,而实验课程也完实现全反射的临界入射角为:
成了由实体实验到基于仿真平台进行仿真实验的转化。5c=arcsin(丄肩-){空气中w„=l}
2实验设备及实验原理
光纤传感器将被测参数实现光信号化,利用光的相关由此可知,光纤临界入射角大小由光纤自身性质决定。
性质如波长、
况。这种方式极大地改善了测量手段和准确性。光纤传感光纤干涉仪由两条支线构成,一个是参考支线,提供
器一般分为物性型光纤传感器和结构性光纤传感器,文中光信号的相位参考值;另一个是热敏传感支线,用于相位
使用的是前者。调制,反映出待测物理量的热敏变化。氦氖激光器产生激
,经分束器分为两个等效光源,分别送入长度一致
在实验中使用的光纤结构的结构层不定,但用于传输的两根单模光纤,其输出端连接在一起,通过等效光源的
光信号的部分在光纤的最内层纤芯,而第二层的包层则是干涉现象,使输出处复合区出现光波干涉。
利用光波全反射的原理从而隔绝光信号,第二层以外则属在加热区的热敏传感光纤,由于温度的变化,纤芯折
于保护层,与光信号传输没有关联。用于传输光信号部分射率和几何长度会随温度变化而产生微小变化量,使得此
的结构如图1所示,其中纤芯和包层都属于光介质,但二支线中所传输光信号的光波光程产生变化,则两条支线所
者具有不同的折射率,即弘>n2,从而保证光信号能在输出的光波相位差产生变化,此时干涉场中的干涉条纹会
纤芯内部进行全反射,以此使光信号在同一封闭区域中传随之发生移动,如图2所示。显然,随着温度场的温度升高,
输。干涉条纹会随之移动,而移动的条数越多,温度改变量越大。
电池必将朝着高比容量、高安全性、高循环效率的发展方【参考文献】
向前进。技术成熟的传统材料逐渐无法满足人们的需求。[1]夏立爽,谢召军,沈恋,:获诺贝尔奖的锂离子电
人们为了改性研究,从钻酸锂的掺杂而逐渐演变成三元正池正极材料还有多少潜力[J].电源技术,2020,44(10):1401-1407.
极材料,三元材料能在短短几十年,在动力电池和储能性[2]ZhangJ,LiQ,OuyangC,
锂电池的领域取得飞速发展,
力。从锰酸锂的掺杂演变到如今的富锂锰基材料,其高比V[J].NatureEnergy,2019,4(7):594-603.
容量和低成本的特性在国内外受到重视,经过科研人员的[3][J].物理,2007,36(8):643-651.
不断开拓探索,缺点也在不断得到改进。未来的电池材料
受成本和制成工艺的影响,不会有一种材料占领全部市场作者简介:梁酷(1999-),男,辽宁葫芦岛,本科,研究方向:
的情况,依然会是竞争和发展同步进行。储能材料。
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〔材料:实验与硏究〕信息记录材料2021年5月第22卷第5期
将被加热的光纤实时温度。打开加热开关,在显示器上
选择合适的参考位置,观察条纹变化,条纹每移动3条,
记录其对应温度,记录14组数据。被加热的光纤长度以
仪器上显示的长度计算计算,给出升温时光纤温度灵敏
图2传感器原理图度i关闭加热电源,加热装置自然降温,在显示
器上选择合适的参考位置,观察条纹变化,记录降温时
热敏传感支线的光波相位变化是由温度引起的,光纤的温度变化数据,给出降温时光纤温度灵敏度g心Jo
干涉仪的温度灵敏度:升温过程测量结果见表1,降温过程测量结果见
表2o
/
AT*J=兀*(5?+MT
表1升温过程测量结果
其中l为热敏传感支线中,光纤处于温度场部分的长项目数据
度。AT为温度变化量。当AT产生变化时,干涉场中任条纹移动数(Am)0369121518
意一点上干涉条纹的移动数目为△"则相位变化量:温度re)
条纹移动数(Am)21242730333639
A中=2it&m温度(e)
温差/3条纹(e)
3仿真实验
光纤灵敏度(升
温)(rad/e・m)
首先将激光器和显示器电源打开,根据图2中的传感
器原理,将激光光源通过光纤传输至分光装置。调节分光
表2降温过程测量结果
装置与聚光装置的支架的竖直高度与水平位置,使经过分
项目数据
束镜分开后的光线,再经棱镜聚合照射到CCD上时,能在
条纹移动数(m)0-3-6-9-12-15-18
显示器上观察到清晰的干涉条纹,设备连接及显示如图3、A
温度(e)
图4所示。
条纹移动数(Am)-21-24-27-30-33-36-39
温度(e)
温差/3条纹(e)
光纤灵敏度(降温)
(rad/e*m)
4结语
在光纤传感器实体实验中,需要大量的实验器材,并
且测量结果往往受到主观因素和系统误差的影响,导致测
量结果不理想,从而影响学生对于该实验的认知和学****br/>通过仿真实验进行该实验,有效地降低了实验成本,并且
图3设备连接图降低了主观因素和系统误差的影响,也使得实验学****不受
时间、空间以及新冠疫情的限制。使得该实验教学得以安
全、高效地进行。
【参考文献】
[1]张爱杰,[J].
信息通信,2014(1):258-259.
[2]姜亚南,范崇澄,[J].
激光,1981(9):34-41.
[3]LouJ,WangY,:A
review[J].Sensors,2014,14(4):5823-5844.
图4分光装置和显示器[4]吕菲,韦文生,
实验的设计[J].温州大学学报(自然科学版),2015,36(1):38-44.
按下数显调节仪上的温度设定按钮,设置最高加热作者简介:梁振宇(1992-),男,四川成都,硕士,研究方向:
温度,弹起温度设定按钮,此时数显调节仪上显示的是大学物理实验教学、有限元分析。
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