光纤温度传感特性研究
摘要：采用光纤双光束干涉的方法研究并测量了其干涉条纹随温度的变化情况。实验结果表明, 测量方法简便可行, 易于实现，实验现象明显。
关键词：光纤折射率，温度，干涉
THE STUDY OF CHRACTERISTICS OF OPTICAL FIBER TEMPERATURE SENSOR Abstract ：Adopting the method of interference of two light beams, the change of the interferometric fringes with temperature is measured. The experimentalresults show that the method is simple and easy to achieve. The phenomenonis evident.
Keywords ：optical fiber，temperature ，interference
一．引言 光纤折射率不仅是波长的函数, 而且与光纤的环境温度密切相关。光纤折射率是光纤设计与制作的重要参数之一，也是商用化光纤产品的特性参数。光纤折射率的温度相关特性对于光纤光缆设计、光纤传 感器设计、光纤探测仪器和光纤测试等具有重要意义。[1] 光通过在光纤内部的传输，受到外界因素（如温度等）的影响，光波的振幅、光强、香味、偏振态等会发生变化。所以，如果测出这些光的参量随外界因素的变化规律便可利用光纤实现各种传导功能。
二．原理和仪器 用激光器照射两根紧贴放置的形状一样的光纤的一端，由于激光相干性极高，在另一端能观察到明显的干涉条纹，通过改变其中一根光纤的局部温度，导致光纤内部折射率改变，从而光程发生变化，反映在干涉条纹上，即能观察到干涉条纹移动，记录条纹移动级数N ， 进而求的折射率改变，调节温度，得到该光纤折射率随温度变化关系。
其实验仪器如下图所示：
图1 干涉法测光纤折射率的温度特性装置图
令通过加热器的光相位为ϕ，波长为λ，加热器中光纤的长度为L ，光纤折射率为n ，则
∆ϕ=
2π2πλnL 2π(n ∆L -L ∆n ) 当温度改变导致光纤折射率和长度改变时 ϕ=λ[(n +∆n )(L ∆+L ) -nL ]≈λ 考虑受温度影响，上式化为
∆ϕ2π∆n n ∆L =(+) L ∆T λ∆T L ∆T
对于石英玻璃光纤n=1.456,∆n/∆T=10x10-6•0C -1, 线膨胀系数
0∆L =5x10-7•L ∆T C -1, 用氦氖激光器波长约630nm ，带入即可得
∆ϕ=107rad •0C -1•m-1 L ∆T
即单位长度光纤变化单位温度产生的条纹移动为17级。
三．实验过程
1. 组建实验仪器，并在读数显微镜中调节出清晰明亮的干涉条纹
（1）将两根长度形状一致的光纤的两端削平，并露出石英部分。两根光纤的两端部分紧贴放置并用橡皮泥固定在架子上。
（2）用激光器照射其中一端，使光线均匀进入两根光纤。
（3）观察出射端两束光，同时调整激光器入射位置，使两束光强度一致。
（4）在另一端用读数显微镜观察，调整得到清晰干涉条纹。
2. 启动加热装置，改变其中一根光纤局部温度，记录条纹随温度变化的移动情况。
（1）从室温开始，以此时条纹位置为零点，打开加热器开始加热。
（2）从室温一直加热到100℃为止，根据温度计示数，间隔5℃记录下条纹级数。
3. 测量加热部分光纤长度，处理数据
（1）用直尺测量加热器筒中加热部分长度L 。
（2）将得到的温度和对应条纹级数用软件拟合得到NTD-D 关系图，比较斜率与理论值。
求得平均值：
256N =≈7. 31（条）35
加热长度L=0.21米
∆ϕ∆N =2π=17. 0⨯2πrad /(m ∙O C ) L ∆T L ∆T 即取单位长度光纤变化单位温度产生的条文移动为17级。
故本实验中单位长度光纤变化单位温度产生的条纹移动为17级。
17⨯0. 21⨯2=7. 14（条）
所以温度每上升2度，移动的条纹数应为7.14条。
本实验测得，温度每上升两度，移动的条纹数约为8.31条。
相对误差：
η=7. 31-7. 14
7. 14⨯100%≈2. 38%
五．实验结果分析
实验误差分析和注意事项：
（1） 最主要的误差来源于读取干涉条纹级数，因为在读取过程中条纹细而密，由于主观判断条纹位置 导致的误差较大，而且在加热过程中由于加热不均匀，有时条纹会产生反向移动的现象，这是记录条纹位置要减去反向移动级数，否则会产生更大误差。
（2） 测量光纤被加热部分长度时会产生误差，一是因为光纤在加热管内部可能会弯曲，而测量的是直 线距离；二是光纤在被加热时加热部分边缘可能受到影响，而温度有所改变，但这个影响其实不算大。
【参考文献】
[1]周殿清，张文炳，冯辉 基础物理实验[M]. 北京：科学出版社，2009
[2]蔡春平，光纤折射率的依赖因素[J]. 应用光学，2000年，Vol. 21 No.5
光纤温度传感特性研究
摘要：采用光纤双光束干涉的方法研究并测量了其干涉条纹随温度的变化情况。实验结果表明, 测量方法简便可行, 易于实现，实验现象明显。
关键词：光纤折射率，温度，干涉
THE STUDY OF CHRACTERISTICS OF OPTICAL FIBER TEMPERATURE SENSOR Abstract ：Adopting the method of interference of two light beams, the change of the interferometric fringes with temperature is measured. The experimentalresults show that the method is simple and easy to achieve. The phenomenonis evident.
Keywords ：optical fiber，temperature ，interference
一．引言 光纤折射率不仅是波长的函数, 而且与光纤的环境温度密切相关。光纤折射率是光纤设计与制作的重要参数之一，也是商用化光纤产品的特性参数。光纤折射率的温度相关特性对于光纤光缆设计、光纤传 感器设计、光纤探测仪器和光纤测试等具有重要意义。[1] 光通过在光纤内部的传输，受到外界因素（如温度等）的影响，光波的振幅、光强、香味、偏振态等会发生变化。所以，如果测出这些光的参量随外界因素的变化规律便可利用光纤实现各种传导功能。
二．原理和仪器 用激光器照射两根紧贴放置的形状一样的光纤的一端，由于激光相干性极高，在另一端能观察到明显的干涉条纹，通过改变其中一根光纤的局部温度，导致光纤内部折射率改变，从而光程发生变化，反映在干涉条纹上，即能观察到干涉条纹移动，记录条纹移动级数N ， 进而求的折射率改变，调节温度，得到该光纤折射率随温度变化关系。
其实验仪器如下图所示：
图1 干涉法测光纤折射率的温度特性装置图
令通过加热器的光相位为ϕ，波长为λ，加热器中光纤的长度为L ，光纤折射率为n ，则
∆ϕ=
2π2πλnL 2π(n ∆L -L ∆n ) 当温度改变导致光纤折射率和长度改变时 ϕ=λ[(n +∆n )(L ∆+L ) -nL ]≈λ 考虑受温度影响，上式化为
∆ϕ2π∆n n ∆L =(+) L ∆T λ∆T L ∆T
对于石英玻璃光纤n=1.456,∆n/∆T=10x10-6•0C -1, 线膨胀系数
0∆L =5x10-7•L ∆T C -1, 用氦氖激光器波长约630nm ，带入即可得
∆ϕ=107rad •0C -1•m-1 L ∆T
即单位长度光纤变化单位温度产生的条纹移动为17级。
三．实验过程
1. 组建实验仪器，并在读数显微镜中调节出清晰明亮的干涉条纹
（1）将两根长度形状一致的光纤的两端削平，并露出石英部分。两根光纤的两端部分紧贴放置并用橡皮泥固定在架子上。
（2）用激光器照射其中一端，使光线均匀进入两根光纤。
（3）观察出射端两束光，同时调整激光器入射位置，使两束光强度一致。
（4）在另一端用读数显微镜观察，调整得到清晰干涉条纹。
2. 启动加热装置，改变其中一根光纤局部温度，记录条纹随温度变化的移动情况。
（1）从室温开始，以此时条纹位置为零点，打开加热器开始加热。
（2）从室温一直加热到100℃为止，根据温度计示数，间隔5℃记录下条纹级数。
3. 测量加热部分光纤长度，处理数据
（1）用直尺测量加热器筒中加热部分长度L 。
（2）将得到的温度和对应条纹级数用软件拟合得到NTD-D 关系图，比较斜率与理论值。
求得平均值：
256N =≈7. 31（条）35
加热长度L=0.21米
∆ϕ∆N =2π=17. 0⨯2πrad /(m ∙O C ) L ∆T L ∆T 即取单位长度光纤变化单位温度产生的条文移动为17级。
故本实验中单位长度光纤变化单位温度产生的条纹移动为17级。
17⨯0. 21⨯2=7. 14（条）
所以温度每上升2度，移动的条纹数应为7.14条。
本实验测得，温度每上升两度，移动的条纹数约为8.31条。
相对误差：
η=7. 31-7. 14
7. 14⨯100%≈2. 38%
五．实验结果分析
实验误差分析和注意事项：
（1） 最主要的误差来源于读取干涉条纹级数，因为在读取过程中条纹细而密，由于主观判断条纹位置 导致的误差较大，而且在加热过程中由于加热不均匀，有时条纹会产生反向移动的现象，这是记录条纹位置要减去反向移动级数，否则会产生更大误差。
（2） 测量光纤被加热部分长度时会产生误差，一是因为光纤在加热管内部可能会弯曲，而测量的是直 线距离；二是光纤在被加热时加热部分边缘可能受到影响，而温度有所改变，但这个影响其实不算大。
【参考文献】
[1]周殿清，张文炳，冯辉 基础物理实验[M]. 北京：科学出版社，2009
[2]蔡春平，光纤折射率的依赖因素[J]. 应用光学，2000年，Vol. 21 No.5