光纤传感器金属线膨胀系数测量实验研究

张兴坊,于鑫锋，方光超，褚晓雪

(枣庄学院光电工程学院 山东枣庄　277160)



光纤传感器金属线膨胀系数测量实验研究

张兴坊,于鑫锋，方光超，褚晓雪

(枣庄学院光电工程学院 山东枣庄277160)

利用传统的金属线膨胀系数测量原理，结合光纤传感技术，提出了基于光纤传感器的金属线膨胀系数测定方法，并进行了实验验证.结果表明，该测量方法精准度较高，操纵性强，也可进行改进测量任意种类固体材料或其相关材料的线膨胀系数，为科研、教学提供更多的测试手段等.

金属线膨胀系数；光纤传感；电压；温度①

0　引言

金属线膨胀是一种金属由于温度升高而产生的长度发生改变的现象，其系数是衡量材料本身性质的一项重要指标.目前，常见金属线膨胀系数的测量方法主要有光杠杆、千分表直接读数法、光的干涉和衍射测量法和传感器法等.千分表直接读数法的工作原理是当金属受热膨胀时会在水平方向上伸长时，与金属端头连接的千分表受到挤压示数变化.由于仪器受力使指针发生偏转的不确定性因素影响较多，导致误差较大[1-3].盛爱兰[4]研究表明，利用单缝衍射的图像中两暗级条纹之间的距离与温度的变化量之间的关系可得到较精确的金属线膨胀系数.花世群[5]证明当对金属进行加热后导致光阑移动，通过菲涅耳双镜的干涉区域的干涉条纹数量与温度的变化量之间的关系也可以得到求出金属线膨胀系数.同时，采用位移传感器也可以测量金属棒在一定温度下的线膨胀系数.位移传感器又称为线性传感器[6-9], 它分为电感式位移传感器、电容式位移传感器、光电式位移传感器、超声波式位移传感器、霍尔式位移传感器、反射式光纤位移传感器等.虽然已有多种方法可测量金属线膨胀系数，但通过光纤传感器来反映测量长度变化量，进而得出金属线膨胀系数的方法较少报道.本文将采用反射式光纤位移传感器来进行测量，同时，该测定方法充分利用普通物理实验现有的实验设备，将金属线膨胀系数测定实验与光纤传感器实验中的测量技术、测量思想有机结合在一起.

1　测量原理

当金属温度变化范围不大时，固体的伸长量ΔL与温度变化量Δt、固体的原始长度L0成正比，表达式为

ΔL=α×L0×Δt

(1)

式中α为固体的线膨胀系数，多数金属的线膨胀系数在(0.8-2.5)×10-5之间.当温度变化区间不太大时，α可近似认为是不变的.由上式知

(2)

光纤位移传感器[10-12]中的光纤为2 束多模光纤,分别用作接收光纤和输入光纤.光源发出的光经输入光纤照射至反射体端面，然后反射的光经接收光纤传输至光电探测器转换为电信号.由于接收到的的反射光强度与固体端面至光纤探头的距离之间存在一定的函数关系, 所以可通过对电压的测量得到线膨胀位移量ΔL.光纤传感器的线性区内标定系数[13]与实验仪器有关，通过标定可得位移长度和电压变化量ΔU之间的关系如下：

ΔU=A×ΔL

(3)

A为标定系数.因此，可利用光纤传感器的电压变化量测量得到金属线膨胀系数

(4)

2　实验

整个实验装置如图1所示，包含金属线膨胀仪(型号FD-LEA)、光纤传感器、螺旋测微器、电压表、直流稳压电源等.反射体固定在铜管的顶部，铜管从室温加热至120oC时伸长量约为0.8mm，即反射体至光纤探头距离的变化量不到1mm.首先对系数A进行标定，先让光纤探头尽可能紧贴反射体, 此时对应的输出电压最小，将信号放大器放大倍数调至最大, 旋动螺旋测微头, 使反射面逐渐远离光纤探头, 每隔0.05mm记录一电压值.重复三次实验取其平均值得到标定系数A.然后将反射片固定在线膨胀仪铜棒的顶部, 光纤传感器固定在反射片上方距离略大于1.2mm处，待预加热2分钟后，记录此时的温度和电压.每当温度升高0.5oC时，记录此时对应的电压值.为了减少为误差，重复该实验3次.

图1　利用光纤传感器测量金属线胀系数装置实物图

3　结果与讨论

表1为利用螺旋测微器测量的铜棒长度变化量与光纤传感器得到的电压值之间的对应关系.利用origin中的拟合命令对长度变化量和电压值进行一维拟合，如图2所示，得到的灵敏度A=45100v/m.

表1　光纤传感器定标数据采集

图2　光纤传感器定标系数

表2为将铜棒温度从40oC升到45oC，每隔0.5oC时测量得到的对应电压值，并求得3次测量的电压平均值.图3和图4分别表示测量得到的光纤传感器电压变化量与温度变化量间的关系及数据拟合残差分析.

表2　铜棒温度为40-45oC时的测量数据

图3　光纤传感器电压变化量与温度变化量的实验数据拟合

图4　实验数据拟合残差分析

由图可见，光纤传感器电压变化量与温度变化量间也近似成线性，数据残差分析得测量数据的线性度和精确度较好.根据(4)式，可得到金属线膨胀系数α=1.28×10-5/oC，与理论值1.67×10-5/oC相近.

4　结论

利用金属线膨胀仪和光纤传感器组合进行了金属线膨胀系数的测量，得到了较好的效果.该测量方法精准度较高，操纵性强，也可进行改进测量任意种类固体材料或其相关材料的线膨胀系数，为科研、教学提供更多的测试手段等.

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[责任编辑：闫昕]

Measurement of Metal Linear Expansion Coefficient Based on Optical Fiber Sensor

ZHANG Xing-fang, YU Xin-feng, FANG Guang-chao, CHU Xiao-xue

(School of Opto-Electrical Engineering, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160, China)

Based on the measurement principle of the metal wire expansion coefficient and the optical fiber sensing technology, a novel method for determining the metal wire coefficient expansion based on the optical fiber sensor is proposed, and the metal wire expansion instrument is improved and designed. The results show that the measurement accuracy is high, the instrument maneuverability is flexible and effective, and this system can be used to measure any kinds of solid materials or the materials related to the coefficient of linear expansion, provide more testing means for the teaching and scientific research, etc.

metal wire expansion coefficient; fiber sensors; voltage; temperature

2016-08-06

枣庄学院“光电科学与技术”创新团队(项目编号：4350308)；枣庄学院大学生研究训练(SRT)计划项目(项目编号：2016045).

张兴坊(1981-)，男，山东临沂人，枣庄学院光电工程学院副教授，博士，主要从事光电科学与技术方面的研究.

O4-33

A

1004-7077(2016)05-0098-04