基于仿真平臺光纖傳感器實驗研究

梁振宇，史 悅

（中國民用航空飛行學院 四川 廣漢 618307）

1 引言

光纖傳感技術誕生于20世紀70年代，相比傳統的傳感技術，它克服了抗干擾能力弱、重量大、體積大、安全性低的缺點，從而迅速發展。如我們現在常見的光纖通信，利用光波實現了信息的傳送[1]。在軍用技術上，早在上世紀80年代，我國便開展了基于光纖Sagnac干涉儀的光纖陀螺（FOG）研究[2]。微納光纖[3]是近年來發展起來的、直徑接近或小于傳輸光波長的一種新型光纖。隨著社會信息化速度加快，不少高校開設了光纖技術相關的課程以及實驗[4]。2019年末，新冠疫情來襲，網絡教學興起，而實驗課程也完成了由實體實驗到基于仿真平臺進行仿真實驗的轉化。

2 實驗設備及實驗原理

光纖傳感器將被測參數實現光信號化，利用光的相關性質如波長、光強等參數的變化以探測被測參數的變化情況。這種方式極大地改善了測量手段和準確性。光纖傳感器一般分為物性型光纖傳感器和結構性光纖傳感器，文中使用的是前者。

2.1 光纖傳輸原理

在實驗中使用的光纖結構的結構層不定，但用于傳輸光信號的部分在光纖的最內層纖芯，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，第二層以外則屬于保護層，與光信號傳輸沒有關聯。用于傳輸光信號部分的結構如圖1所示，其中纖芯和包層都屬于光介質，但二者具有不同的折射率，即n1＞n2，從而保證光信號能在纖芯內部進行全反射，以此使光信號在同一封閉區域中傳輸。

圖1 光纖傳輸原理

為保證光線能完成全反射，必須滿足全反射條件，即θ＜。

實現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決定。

2.2 光纖干涉儀的結構和測溫原理

光纖干涉儀由兩條支線構成，一個是參考支線，提供光信號的相位參考值；另一個是熱敏傳感支線，用于相位調制，反映出待測物理量的熱敏變化。氦氖激光器產生激光光源，經分束器分為兩個等效光源，分別送入長度一致的兩根單模光纖，其輸出端連接在一起，通過等效光源的干涉現象，使輸出處復合區出現光波干涉。

在加熱區的熱敏傳感光纖，由于溫度的變化，纖芯折射率和幾何長度會隨溫度變化而產生微小變化量，使得此支線中所傳輸光信號的光波光程產生變化，則兩條支線所輸出的光波相位差產生變化，此時干涉場中的干涉條紋會隨之發生移動，如圖2所示。顯然，隨著溫度場的溫度升高，干涉條紋會隨之移動，而移動的條數越多，溫度改變量越大。

圖2 傳感器原理圖

熱敏傳感支線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為熱敏傳感支線中，光纖處于溫度場部分的長度。△T為溫度變化量。當△T產生變化時，干涉場中任意一點上干涉條紋的移動數目為△，則相位變化量：

3 仿真實驗

3.1 設備連接及設定

首先將激光器和顯示器電源打開，根據圖2中的傳感器原理，將激光光源通過光纖傳輸至分光裝置。調節分光裝置與聚光裝置的支架的豎直高度與水平位置，使經過分束鏡分開后的光線，再經棱鏡聚合照射到CCD上時，能在顯示器上觀察到清晰的干涉條紋，設備連接及顯示如圖3、圖4所示。

圖3 設備連接圖

圖4 分光裝置和顯示器

3.2 數據測量以及測量結果

按下數顯調節儀上的溫度設定按鈕，設置最高加熱溫度，彈起溫度設定按鈕，此時數顯調節儀上顯示的是將被加熱的光纖實時溫度。打開加熱開關，在顯示器上選擇合適的參考位置，觀察條紋變化，條紋每移動3條，記錄其對應溫度，記錄14組數據。被加熱的光纖長度以儀器上顯示的長度計算計算，給出升溫時光纖溫度靈敏度。關閉加熱電源，加熱裝置自然降溫，在顯示器上選擇合適的參考位置，觀察條紋變化，記錄降溫時的溫度變化數據，給出降溫時光纖溫度靈敏度。

升溫過程測量結果見表1，降溫過程測量結果見表2。

表1 升溫過程測量結果

表2 降溫過程測量結果

4 結語

在光纖傳感器實體實驗中，需要大量的實驗器材，并且測量結果往往受到主觀因素和系統誤差的影響，導致測量結果不理想，從而影響學生對于該實驗的認知和學習。通過仿真實驗進行該實驗，有效地降低了實驗成本，并且降低了主觀因素和系統誤差的影響，也使得實驗學習不受時間、空間以及新冠疫情的限制。使得該實驗教學得以安全、高效地進行。