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）

1 引言

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，不少高校开设了光纤技术相关的课程以及实验[4]。2019年末，新冠疫情来袭，网络教学兴起，而实验课程也完成了由实体实验到基于仿真平台进行仿真实验的转化。

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，利用光的相关性质如波长、光强等参数的变化以探测被测参数的变化情况。这种方式极大地改善了测量手段和准确性。光纤传感器一般分为物性型光纤传感器和结构性光纤传感器，文中使用的是前者。

2.1 光纤传输原理

在实验中使用的光纤结构的结构层不定，但用于传输光信号的部分在光纤的最内层纤芯，而第二层的包层则是利用光波全反射的原理从而隔绝光信号，第二层以外则属于保护层，与光信号传输没有关联。用于传输光信号部分的结构如图1所示，其中纤芯和包层都属于光介质，但二者具有不同的折射率，即n1＞n2，从而保证光信号能在纤芯内部进行全反射，以此使光信号在同一封闭区域中传输。

图1 光纤传输原理

为保证光线能完成全反射，必须满足全反射条件，即θ＜。

实现全反射的临界入射角为：

由此可知，光纤临界入射角大小由光纤自身性质决定。

2.2 光纤干涉仪的结构和测温原理

光纤干涉仪由两条支线构成，一个是参考支线，提供光信号的相位参考值；另一个是热敏传感支线，用于相位调制，反映出待测物理量的热敏变化。氦氖激光器产生激光光源，经分束器分为两个等效光源，分别送入长度一致的两根单模光纤，其输出端连接在一起，通过等效光源的干涉现象，使输出处复合区出现光波干涉。

在加热区的热敏传感光纤，由于温度的变化，纤芯折射率和几何长度会随温度变化而产生微小变化量，使得此支线中所传输光信号的光波光程产生变化，则两条支线所输出的光波相位差产生变化，此时干涉场中的干涉条纹会随之发生移动，如图2所示。显然，随着温度场的温度升高，干涉条纹会随之移动，而移动的条数越多，温度改变量越大。

图2 传感器原理图

热敏传感支线的光波相位变化是由温度引起的，光纤干涉仪的温度灵敏度：

其中l为热敏传感支线中，光纤处于温度场部分的长度。△T为温度变化量。当△T产生变化时，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：

3 仿真实验

3.1 设备连接及设定

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。调节分光装置与聚光装置的支架的竖直高度与水平位置，使经过分束镜分开后的光线，再经棱镜聚合照射到CCD上时，能在显示器上观察到清晰的干涉条纹，设备连接及显示如图3、图4所示。

图3 设备连接图

图4 分光装置和显示器

3.2 数据测量以及测量结果

按下数显调节仪上的温度设定按钮，设置最高加热温度，弹起温度设定按钮，此时数显调节仪上显示的是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度。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，记录降温时的温度变化数据，给出降温时光纤温度灵敏度。

升温过程测量结果见表1，降温过程测量结果见表2。

表1 升温过程测量结果

表2 降温过程测量结果

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习。通过仿真实验进行该实验，有效地降低了实验成本，并且降低了主观因素和系统误差的影响，也使得实验学习不受时间、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。