光纤干涉传感器利用马赫 - 曾德尔干涉原理,激光器发射光线,经 2×2 耦合器分束后分别进入参考臂和传感臂。进入传感臂的光束经平面镜反射后又进入耦合器分束架后到达探测器,进入参考臂的光束经过扩束后通过测量区域并由平面镜反射也进入耦合器最终到达探测器。当两部分光的光程差小于光源相干长度时会产生干涉条纹,若改变其中 1 条光纤的温度或压力,使光纤的折射率和长度发生变化,将会使原有的干涉条纹产生移动,干涉条纹可利用 CCD 装置观察。以西安超凡公司生产的 OFKM - Ⅳ 型激光干涉综合实验仪为例,装置如图 2 所示,控制面板如图 3 所示。当其中 1 条干涉臂(光纤 3#)因温度变化使两个臂(光纤 3#和光纤 4#)的相位差变化为,式中为光纤折射率,L 为加热条长度即接受温度场作用的光纤长度。仪器温度分辨率平均值为 2.67℃~,温度灵敏度为 16.7cm·℃⁻¹。
将石英光纤的温度灵敏度理论值 17.·℃ 与实际情况进行比较,其符合率为 98.24。在大学中的实验,特别是物理实验,对于学生而言是一个启蒙性的实验,学生仅仅能够明白某一实验的图 3 控制面板图原理,却无法将该实验原理进行应用。针对这种现象,我们进行了一些尝试。例如,依据光纤传感器的工作原理,在现有的仪器上开发了几个小测量仪器,目的是让有兴趣的学生在课余时间自行进行这些小实验,尝试把光纤传感器的实验原理与实际应用联系起来,以开阔学生的思路,提高学生的动手能力和解决问题的能力[4]。如图 4 所示,将仪器上的加热条取下,对光纤断点处进行抛光(或分别垂直粘贴在 2 个小平行平面镜上),以备使用。那么单位温度变化 T 会引起单位长度光纤的相位变化,如图 5 所示,当温度升高时,管内水银面上升,当温度上升到设定值时,参考臂中的光程会发生变化,LTL 一 ’/。从 CCD 中能观察到干涉条纹发生急剧变化。如果计感温的光纤长度为 L,温度变化为 T,且干涉条纹移动了 N 条,那么就将其称为温度分辨率,将其称为温度灵敏度。对于石英光纤而言,温度灵敏度的理论值约为 17.0cm·℃。在实验过程中,温度上升时,条纹的移动较为缓慢,且在接近 80℃时,开关会打开(或关闭),从而对某电路进行控制。
为了避免光纤过载造成光纤损坏,我们只是在比较小的拉力下进行实验,并采用丝杠连接弹簧秤来保证拉力均匀增加,实验数据如表 2 所示。
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