光纤传感器是指将光源发出的光经过光纤送入传感区，使进入传感区的光学性质，如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，并将这种变化经光纤送入探测器，获得传感区的温度、压强等物理参量的一种器件．光纤传感器具有体积小，重量轻，柔软性好，抗电磁干扰能力强等优点，尤其是其不产生电火花，可在易燃、易爆等危险环境下工作[1-3]等优点，自问世以来就得到了快速发展[4-6]，被广泛应用于医学[7]、地矿勘探[8，9]及土木工程检测[10]等领域．

随着光纤压力传感器件和温度传感器件的快速发展及其应用领域的不断扩大，有关光纤温度和压力传感方面的知识已成为高等学校光信息科学与技术、电子信息科学与技术及光电信息科学与工程等专业的教学内容，在一些高校，与此相关的实验教学也在同步开展．但目前为数不多的针对于光纤温度和压力传感方面的学生实验装置都是高度集成、密封使用的，学生在实验过程中根本看不到传感器的内部结构，虽然成功开展了光纤温度和压力传感方面的实验，也完成了测量，并得到了非常好的数据，但却说不清楚这些数据是如何得到的，无法说出这些数据所蕴含的物理意义，很难直观掌握光纤温度和压力传感的实验原理，起不到提升学生动手能力的实验目的，也无法达到通过实验来直观掌握知识点的目的，在很大程度上背离了实验教学的初衷[11-13]．

因此，建立一个开放、透明的光纤温度传感和光纤压力传感的实验平台，让学生通过开放的实验平台，自己搭建光纤压力传感和光纤温度传感的实验系统，能够让学生直观掌握光纤压力传感器和光纤温度传感器的工作原理，能切实提高学生的实验动手能力．

1 系统设计与原理分析

1.1 系统设计

根据光纤传感器的工作原理，可以将其分为两个大类，一类是非功能型光纤传感器，对于这种类型的光纤传感器，光纤只作为传播光的媒质，其所传递的信息是通过其他物理性质的敏感元件实现的，例如当前广泛使用的光纤通信，其本质就是一种光纤传感器，只不过它所传递的是经发送端调制过的带有信息的光；光纤传感器的第二种类型是功能型光纤传感器，对这种类型的光纤传感器而言，光纤不仅起传输光的作用，同时也利用外界因素使其传光特性发生变化，进而实现对这种外界因素的传感测量．本论文介绍的光纤温度与压力传感实验系统是功能型光纤传感器，其系统构成与工作流程如图1所示．

2.精心设计微课，提供有趣的学习资料。教师根据内容重难点制作微课，用精彩的微课激发学习兴趣，促使学生主动获取知识。

如图1所示，功能型光纤温度与压力传感实验仪主要由半导体激光器、光隔离器、光纤耦合器、分束镜、透镜、单模光纤、温控盒、PZT管、光纤调整架、遮光筒和毛玻璃板组成．半导体激光器是中心波长为650 nm的光纤输出激光器；温控盒内温度的升高和降低分别由一块陶瓷加热片和一块半导体制冷片实现，二者是由一个全自动恒温控制器控制；PZT管是由一个压电陶瓷驱动电源驱动．激光器输出的光首先经过一个光隔离器，然后经过一个光纤耦合器后，以45°角照到1:1的分束镜上，分束镜将入射光分成两束，其中透射光经透镜聚焦后耦合到一根光纤臂，反射光经另一块透镜聚焦后耦合到另一根光纤臂，将一根光纤臂的中段绕成环状置于温控盒内，通过改变温控盒内的温度，使盒内光纤发生热胀冷缩效应，达到改变光纤参数的目的；将另一根光纤臂的中段紧密绕在一段压电陶瓷(PZT)管上，通过给压电陶瓷管加载电压，使压电陶瓷管发生径向应变，达到改变绕在其上光纤参数的目的．最后将两根光纤的输出端并在一起，固定在光纤调整架上，并将光纤调整架固定在遮光筒的一端，在遮光筒的另一端固定一块毛玻璃板，用于观察干涉图样．

图1 功能型光纤温度与压力传感实验仪系统组成

《中华人民共和国食品安全法》实施条例第三条提出：“食品生产经营者应当依照法律、法规和食品安全标准从事生产经营活动。”其中，“食品安全标准”被要求强制执行，它包含对食品相关产品中致病性微生物、农药残留、兽药残留、重金属、污染物质以及其他危害人体健康物质的限量规定；食品添加剂的品种、使用范围与用量；专供婴幼儿的主辅食品的营养成分要求；对食品安全、营养有关的标签、标识、说明书的要求；食品中所有食品添加剂必须详细列出等。

1.2 工作原理

实验中，在毛玻璃板上选定一个参考位置，改变温控盒内的温度，观察干涉条纹相对于参考位置的移动，记录光纤所在位置的温度与移过参考位置的干涉条纹数之间的关系，建立起二者之间的关系曲线．图3所示是温控盒内的温度从22℃到55℃的范围内变化时，对应的温度变化与干涉条纹移过参考位置数之间的关系．从图3可以清晰地看出，当光纤臂的温度升高与温度降低时，干涉条纹的移动方向相反．

(1)

式(1)中I1、I2是两束相干光的光强，Δφ是两束光的相位差，其大小由光在光纤中传播的光程差决定：

(2)

式(2)中λ是光在真空中传播的波长，ΔL是两束光在光纤中传输时的光程差，取决于两根光纤的纤芯折射率(n)和光在光纤中的传播长度(l)．综合式(1)和式(2)，可以将毛玻璃上的光强表示为

(3)

从图3和表1给出的结果可以看出，对基于双光纤干涉的温度传感系统而言，无论是升温过程还是降温过程，干涉条纹的移动数与温度之间都有很好的线性关系，且升温过程与降温过程的曲线斜率的绝对值基本一致，这不但说明温度与干涉条纹的移动数之间具有非常好的线性关系，也说明测量结果具有非常好的可靠性，可以将干涉条纹移动的数目通过定标转化为温度的变化，进而实现光纤温度传感的目的．

(4)

没有国外的条件，可以有自己的探索。泰心医院根据实际情况，为儿童服务做了一系列工作。马力说：“我们就是让孩子感受到，来的不是医院，而是迪士尼乐园。”

2 实验结果与分析

2.1 工作原理

图2 双光纤干涉图样

将一根光纤臂的中段紧密缠绕在压电陶瓷管上，并将绕在压电陶瓷管上的光纤两端固定，以防止滑动，如图4所示.然后从压电陶瓷管的内外壁引出两个接线端，并将其接在压电陶瓷驱动电源的输出端，用压电陶瓷驱动电源对其驱动．根据逆压电效应，当在压电陶瓷管上加载电压时，压电陶瓷管将沿径向发生一定形变(位移)，使压电陶瓷管的外径发生微米量级的变化，这种变化相当于给绕在压电陶瓷管上的光纤施加了一个压力，使得光纤在此压力的作用下发生形变，进而引起光在两条光纤臂传输中的光程差发生变化，而压力的大小可以通过加载到压电陶瓷管上的电压进行调节．

从式(4)可以看出，当两束光的光程差ΔL每发生半个波长的变化时，毛玻璃板上的亮暗条纹就发生一次交替变化．在该实验系统中，两束光的光程将取决于两根光纤的长度l和纤芯折射率n，而两根光纤臂所处位置的压力或温度发生变化，都将会引起光纤这两个参数的变化，进而引起两束光的传播光程(差)发生变化，最终引起毛玻璃板上明暗条纹的变化．因此，可以通过观察干涉条纹的移动，建立起压力和温度与干涉条纹的移动数之间的关系，并实现对温度与压力的传感．

根据光的干涉原理，当一条光纤臂受温度或压力的影响而发生变化时，对应的光在光纤中传输的光程也将发生变化，此时图中的干涉条纹会沿着箭头所指示的方向向外或向内移动，移动方向取决于温度或压力的增加或者减小．例如，若因为某一条光纤臂的温度升高而使得干涉圆环向外移动，则温度降低时将向内移动；同理，若因为某一条光纤臂的压力增加而使得干涉圆环向外移动，则压力降低时将向内移动．无论是向外移动还是向内移动，每移动一环，都表示光在两条光纤中传输的光程差发生了一个波长的变化，移动的条纹数越多，说明光程差发生的变化也越多.

2.2 温度传感的测量结果与分析

根据光的干涉原理，在两根光纤臂中传输的光是由同一个光源发出的光分振幅而来，符合光的干涉条件，因此，从两根光纤臂的尾端出射的光照到观察屏(毛玻璃板)上之后，能够在重合区域观察到干涉图样．根据光的干涉信息，当两束光在毛玻璃板上发生干涉时，合成后的光强可以表示为

李永安是5 5军1 6 3师唯一一个战地记者。2月2 8日，李永安跟随部队攻打谅山。3月4日，攻打谅山南区需要通过奇穷河大桥。“部队发起攻击后，敌人一刻不停地从南边炮轰北边桥头，我先是跟着部队后面，刚拍了一张照片，就被炮火炸得完全看不清。在我跳下战壕的一瞬间，一发炮弹在头顶5米的地方炸开。我亲眼看着1 8位战士被炸伤亡，我的一只耳朵也再听不到任何声音。我找出一个纸烟盒，在隆隆的炮声里给妻子写起了遗书。那时候，我的双胞胎女儿刚三岁，都随了母亲的姓，我就在遗书里和妻子商量，让小女儿跟自己姓，也算是有个纪念。”写完遗书，李永安拿起手枪和相机，爬出战壕，从奇穷河大桥冲向谅山南区。

用线性函数分别对升温和降温过程的测量结果进行拟合，并将拟合结果列于表1．

图3 干涉条纹的移动数与温度之间的关系

从式(3)可以看到，在两束光的强度I1、I2保持不变的情况下，光在毛玻璃板上的合成光强将随着光程差ΔL的变化而变化，当ΔL满足一定条件时，将会在毛玻璃板上观察到明暗条纹：

表1 光纤温度传感的实验数据拟合结果

拟合对象拟合函数拟合结果标准误差abab升温y=aT+b1．367-29．9800．3580．009降温y=aT+b-1．38676．6940．015

2.3 压力传感的测量结果与分析

图2所示是实验中所得到的双光纤干涉图样，其中3条竖线标出的是干涉环上3条邻近亮纹的位置．理论上，双光纤干涉图样与迈克耳孙干涉仪的干涉图样相似，应该是一系列的同心圆环，但从图中给出的信息可以看出，干涉环并不是一系列规整的同心圆环，这是因为在实验中，光纤端面的处理不够均匀，从两根光纤臂尾端出射的光束，很难射向同一个方向，要在实验中得到理想的同心圆环并不是一件容易的事情，这种干涉条纹实际上是半径比较大的干涉圆环上的一部分，而实验中只需要测量干涉条纹相对于参考位置发生移动的数目，因此，这样的干涉条纹并不会影响对光纤传感要素的分析．

图4 光纤压力调节的设计

仍然在毛玻璃板上选定一个参考位置，然后改变加载到压电陶瓷管上的电压，观察电压改变时干涉条纹相对于参考位置的移动数和移动方向，记录加载到压电陶瓷管上的电压变化时，干涉环移过参考位置的数目与压电陶瓷驱动电源的输出电压，建立起二者之间的关系曲线．计数时，将压电陶瓷电压增加所引起的干涉条纹移过参考位置的数目从0一直记到N，而压电陶瓷电压降低所引起的干涉条纹移过参考位置的数目从N=0一直记到N=N，其中0为加载到压电陶瓷管上的初始电压所对应的干涉条纹移过参考位置的条纹数，N为加载到压电陶瓷管上的电压变化最大时，干涉条纹移过参考位置的条纹数．图5所示是加载到压电陶瓷管上的电压从10V逐渐升高到270 V和从270 V逐渐降低到10 V时，对应的电压值与干涉条纹移过参考位置数之间的关系，并用二项式对实验数据做了拟合，拟合结果列于表2．

从图5给出的结果可以看出，当加载到压电陶瓷管上的电压升高时，干涉条纹向一个方向移动；当电压降低时，干涉条纹则向相反方向移动．从图5和表2给出的结果可以看出，对基于双光纤干涉的压力传感系统而言，二项式的拟合结果与实验测量结果能够很好的吻合，对于电压增加和电压降低的过程而言，拟合结果在纵坐标轴上的截距基本一致，考虑到压电陶瓷压电特性曲线的拟合结果一般都是二项式，因此，这样的拟合结果既说明在电压的一个变化周期内，起点和终点的测量结果能够很好的吻合，也说明光纤臂压力的变化与干涉条纹的移动数之间具有很好的线性关系，测量结果具有非常好的可靠性．因此，可以将干涉条纹移动的数目通过定标转化为压力的变化，进而实现压力传感的目的．

沥青面层摊铺前必须对下承层清扫或冲洗，表面要保证干净、清洁。然后均匀喷洒粘层油，粘层油喷洒量一定要准确，否则会对面层的油石比造成影响。

图5 干涉条纹的移动数与PZT加载电压之间的关系

表2 光纤压力传感的实验数据拟合结果

拟合对象拟合函数拟合结果标准误差bB1B2bB1B2电压增加y=b+B1T+B2T2-0．4710．080-5．415×10-50．0780．0014．440×10-6电压降低y=b+B1T+B2T2-0．4760．047-5．943×10-50．1040．0025．932×10-6

这里需要注意的是，前面所说的线性关系并不能从图5的拟合曲线中直接读出，因为从图5可以清晰地看到，无论加载到压电陶瓷管上的电压升高还是降低，条纹的移动数都不与加载到压电陶瓷管上的电压之间呈线性关系，且在电压增加和电压降低的过程中，两条曲线也不重合，这一点也充分体现在表2所列出的拟合结果中．实际上，造成图5中干涉条纹的移动数与加载到压电陶瓷管上的电压值之间不成比例的现象，是因为压电材料自身的压电特性[14]造成的。图5所给出的拟合结果与压电材料的电压-位移特性曲线能够很好的吻合，这不但说明光纤压力传感实验仪的可靠性，同时也说明，此方法可以用于测量压电材料的电压-位移特性曲线．

3 结论

随着光纤温度传感器和光纤压力传感器在各行各业的广泛使用，有关光纤温度传感和压力传感方面的内容逐渐成为高等学校相关专业的实验教学项目之一，但由于现行实验教学仪器的高度集成化，很难在实验教学中让学生充分认识光纤传感器的工作原理与结构，从而无法建立起对光纤传感器的直观认识．基于此，本文提出了一种基于双光纤干涉的光纤温度传感和压力传感实验教学系统的设计方案，并对设计方案做了理论分析，分别测量了光纤臂的温度和压力发生变化时干涉信号与温度和压力之间的关系，并对测量结果分别做了线性拟合和二项式拟合．结果表明，基于双光纤干涉的实验系统具有结构简单，操作简便，原理清晰等优点，干涉环的移动数与温度和压力的变化之间有很好的线性关系，能够直观地展示功能型光纤温度与压力传感原理，适合高等学校光电信息科学与工程专业及相关专业的实验教学．

参考文献：

[1] 李双佶,梁景舒,王福娟,等.基于M-Z干涉仪的单模光纤声波传感器的研究[J].大学物理,2011,30(6):52-56.

[2] 母坤,童杏林,胡畔,等.氢气传感器的技术现状及发展趋势[J].激光杂志,2016,37(5):1-5.

[3] 常新龙,郭风华,李进军.基于FBG传感器的固体火箭发动机结构健康监测技术[J].强度与环境,2006,33(4):17-22.

[4] 乔学光,邵志华,包维佳,等.光纤超声传感器及应用研究进展[J].物理学报,2017,66(7):127-147.

[5] 余子珩.光纤传感器的发展及应用[J].电子测试,2017(11):97-98.

[6] 饶云江.长距离分布式光纤传感技术研究进展[J].物理学报,2017,66(7):158-176.

[7] 孙素梅,陈洪耀,尹国盛.光纤传感器的基本原理及在医学上的应用[J].中国医学物理学杂志,2008,25(5):846-850.

[8] 崔洪亮,常天英.光纤传感器及其在地质矿产勘探开发中的应用[J].吉林大学学报(地球科学版),2012,42(5):1571-1579.

[9] 刘敏敏,周峰,杜志顺.光纤传感器在石油测井中的应用[J].光学与光电技术,2008,6(3):18-21.

[10] 卢哲安,符晶华,张全林.光纤传感器用于土木工程检测的研究——关键技术及实现途径[J].武汉理工大学学报,2001,23(8):37-41.

[11] 裴世鑫,崔芬萍,华亚南,等.基于旋光效应的溶液浓度测量系统设计与实现[J].实验科学与技术,2017,15(4):16-20.

[12] 王菁,吴坚,李华,利用半导体增益光谱诠释激光产生机理的实验设计[J].大学物理,2015,34(11):35-37.

[13] 王亚伟,乐永康,钱飒飒,等.大学物理、大学物理实验两课课程现状调查报告及总结[J].物理与工程,2016,26(4):45-54.

[14] 张涛,孙立宁,蔡鹤皋.压电陶瓷基本特性研究[J].光学精密工程,1998,6(5):26-32.