張興坊,于鑫鋒，方光超，褚曉雪

(棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院 山東棗莊　277160)

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光纖傳感器金屬線膨脹系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究

張興坊,于鑫鋒，方光超，褚曉雪

(棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院 山東棗莊277160)

利用傳統(tǒng)的金屬線膨脹系數(shù)測(cè)量原理，結(jié)合光纖傳感技術(shù)，提出了基于光纖傳感器的金屬線膨脹系數(shù)測(cè)定方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.結(jié)果表明，該測(cè)量方法精準(zhǔn)度較高，操縱性強(qiáng)，也可進(jìn)行改進(jìn)測(cè)量任意種類固體材料或其相關(guān)材料的線膨脹系數(shù)，為科研、教學(xué)提供更多的測(cè)試手段等.

金屬線膨脹系數(shù)；光纖傳感；電壓；溫度①

0　引言

金屬線膨脹是一種金屬由于溫度升高而產(chǎn)生的長度發(fā)生改變的現(xiàn)象，其系數(shù)是衡量材料本身性質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo).目前，常見金屬線膨脹系數(shù)的測(cè)量方法主要有光杠桿、千分表直接讀數(shù)法、光的干涉和衍射測(cè)量法和傳感器法等.千分表直接讀數(shù)法的工作原理是當(dāng)金屬受熱膨脹時(shí)會(huì)在水平方向上伸長時(shí)，與金屬端頭連接的千分表受到擠壓示數(shù)變化.由于儀器受力使指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的不確定性因素影響較多，導(dǎo)致誤差較大[1-3].盛愛蘭[4]研究表明，利用單縫衍射的圖像中兩暗級(jí)條紋之間的距離與溫度的變化量之間的關(guān)系可得到較精確的金屬線膨脹系數(shù).花世群[5]證明當(dāng)對(duì)金屬進(jìn)行加熱后導(dǎo)致光闌移動(dòng)，通過菲涅耳雙鏡的干涉區(qū)域的干涉條紋數(shù)量與溫度的變化量之間的關(guān)系也可以得到求出金屬線膨脹系數(shù).同時(shí)，采用位移傳感器也可以測(cè)量金屬棒在一定溫度下的線膨脹系數(shù).位移傳感器又稱為線性傳感器[6-9], 它分為電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、光電式位移傳感器、超聲波式位移傳感器、霍爾式位移傳感器、反射式光纖位移傳感器等.雖然已有多種方法可測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)，但通過光纖傳感器來反映測(cè)量長度變化量，進(jìn)而得出金屬線膨脹系數(shù)的方法較少報(bào)道.本文將采用反射式光纖位移傳感器來進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)，該測(cè)定方法充分利用普通物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將金屬線膨脹系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)與光纖傳感器實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量技術(shù)、測(cè)量思想有機(jī)結(jié)合在一起.

1　測(cè)量原理

當(dāng)金屬溫度變化范圍不大時(shí)，固體的伸長量ΔL與溫度變化量Δt、固體的原始長度L0成正比，表達(dá)式為

ΔL=α×L0×Δt

(1)

式中α為固體的線膨脹系數(shù)，多數(shù)金屬的線膨脹系數(shù)在(0.8-2.5)×10-5之間.當(dāng)溫度變化區(qū)間不太大時(shí)，α可近似認(rèn)為是不變的.由上式知

(2)

光纖位移傳感器[10-12]中的光纖為2 束多模光纖,分別用作接收光纖和輸入光纖.光源發(fā)出的光經(jīng)輸入光纖照射至反射體端面，然后反射的光經(jīng)接收光纖傳輸至光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào).由于接收到的的反射光強(qiáng)度與固體端面至光纖探頭的距離之間存在一定的函數(shù)關(guān)系, 所以可通過對(duì)電壓的測(cè)量得到線膨脹位移量ΔL.光纖傳感器的線性區(qū)內(nèi)標(biāo)定系數(shù)[13]與實(shí)驗(yàn)儀器有關(guān)，通過標(biāo)定可得位移長度和電壓變化量ΔU之間的關(guān)系如下：

ΔU=A×ΔL

(3)

A為標(biāo)定系數(shù).因此，可利用光纖傳感器的電壓變化量測(cè)量得到金屬線膨脹系數(shù)

(4)

2　實(shí)驗(yàn)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，包含金屬線膨脹儀(型號(hào)FD-LEA)、光纖傳感器、螺旋測(cè)微器、電壓表、直流穩(wěn)壓電源等.反射體固定在銅管的頂部，銅管從室溫加熱至120oC時(shí)伸長量約為0.8mm，即反射體至光纖探頭距離的變化量不到1mm.首先對(duì)系數(shù)A進(jìn)行標(biāo)定，先讓光纖探頭盡可能緊貼反射體, 此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓最小，將信號(hào)放大器放大倍數(shù)調(diào)至最大, 旋動(dòng)螺旋測(cè)微頭, 使反射面逐漸遠(yuǎn)離光纖探頭, 每隔0.05mm記錄一電壓值.重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)取其平均值得到標(biāo)定系數(shù)A.然后將反射片固定在線膨脹儀銅棒的頂部, 光纖傳感器固定在反射片上方距離略大于1.2mm處，待預(yù)加熱2分鐘后，記錄此時(shí)的溫度和電壓.每當(dāng)溫度升高0.5oC時(shí)，記錄此時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值.為了減少為誤差，重復(fù)該實(shí)驗(yàn)3次.

圖1　利用光纖傳感器測(cè)量金屬線脹系數(shù)裝置實(shí)物圖

3　結(jié)果與討論

表1為利用螺旋測(cè)微器測(cè)量的銅棒長度變化量與光纖傳感器得到的電壓值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.利用origin中的擬合命令對(duì)長度變化量和電壓值進(jìn)行一維擬合，如圖2所示，得到的靈敏度A=45100v/m.

表1　光纖傳感器定標(biāo)數(shù)據(jù)采集

圖2　光纖傳感器定標(biāo)系數(shù)

表2為將銅棒溫度從40oC升到45oC，每隔0.5oC時(shí)測(cè)量得到的對(duì)應(yīng)電壓值，并求得3次測(cè)量的電壓平均值.圖3和圖4分別表示測(cè)量得到的光纖傳感器電壓變化量與溫度變化量間的關(guān)系及數(shù)據(jù)擬合殘差分析.

表2　銅棒溫度為40-45oC時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)

圖3　光纖傳感器電壓變化量與溫度變化量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

圖4　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合殘差分析

由圖可見，光纖傳感器電壓變化量與溫度變化量間也近似成線性，數(shù)據(jù)殘差分析得測(cè)量數(shù)據(jù)的線性度和精確度較好.根據(jù)(4)式，可得到金屬線膨脹系數(shù)α=1.28×10-5/oC，與理論值1.67×10-5/oC相近.

4　結(jié)論

利用金屬線膨脹儀和光纖傳感器組合進(jìn)行了金屬線膨脹系數(shù)的測(cè)量，得到了較好的效果.該測(cè)量方法精準(zhǔn)度較高，操縱性強(qiáng)，也可進(jìn)行改進(jìn)測(cè)量任意種類固體材料或其相關(guān)材料的線膨脹系數(shù)，為科研、教學(xué)提供更多的測(cè)試手段等.

[1]朱瑜,劉瓔輝. 不同讀數(shù)方法測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的比較[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015,34(4):17-20.

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[3]楊述武. 關(guān)于誤差大小的比較[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2004,24(3):23-24.

[4]盛愛蘭. 一種基于單縫衍射的線膨脹系數(shù)測(cè)定裝置[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn), 2013,26(1):59-61.

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[責(zé)任編輯：閆昕]

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

棗莊學(xué)院“光電科學(xué)與技術(shù)”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(項(xiàng)目編號(hào)：4350308)；棗莊學(xué)院大學(xué)生研究訓(xùn)練(SRT)計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2016045).

張興坊(1981-)，男，山東臨沂人，棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院副教授，博士，主要從事光電科學(xué)與技術(shù)方面的研究.

O4-33

A

1004-7077(2016)05-0098-04