北大普通物理综合实验课件24学期总结——光纤电流传感器

2004-12-30综合物理实验学期总结——光纤电流传感器2004-12-30学期总结导言实验目的实验原理实验仪器实验操作过程实验结果结果讨论2004-12-30导言本实验中涉及光纤干涉测量仪和新金属材料的磁致伸缩效应。我们将二者相结合，组成了光纤电流传感器。光纤传感器在对物理量进行间接测量的场合中经常被使用，测量过程中主要利用了光纤干涉条纹对张力、环境温度等外界条件变化的响应，这方面的成果主要有位移压力传感器，温度传感器等。2004-12-30导言光纤材料本身对外环境磁场的响应是极其微弱的。为了弥补这方面的缺陷，我们在传统的光纤干涉仪中引入了磁致伸缩元件。新金属材料中有一类具有磁致伸缩效应的材料，在我的实验中，它被用来将外界磁场的变化转化为光纤长度的变化，间接地达到了对外磁场变化的响应。光纤与磁致伸缩元件相结合，原则上可以实现对外磁场进行测量。2004-12-30导言实验中，我们用螺线管电流来激发磁场。管内还含有可以导磁的软铁和增强磁场的永磁体。磁场改变量的大小和螺线管中的电流大小成正相关关系。在实验中，由于材料所处区域的磁场是极其不均匀的，总的伸长是材料上各点不同伸长的叠加效果，所以最终我们将测量的目标定位在测量通电螺线管的电流上。2004-12-30实验目的通过实验，掌握光纤干涉测量的基本技术，学会组装干涉测量仪并测量待测物理量。了解磁致伸缩材料的性能，自行动手制做螺线管产生所需要的磁场。通过测量，建立起光纤条纹移动与螺线管电流改变之间的关系。在实验过程中提高实验素养，熟悉基础的科研工作过程。2004-12-30实验原理实验原理部分包括：相干光干涉与马氏干涉仪的基础知识。磁致伸缩材料性能介绍。光纤电流传感器的简单构成。理论推导与估算结果。2004-12-30相干光干涉相干光源（振动方向相同，频率相同，相差恒定）所发出的光，在光场中形成稳定的干涉图样。杨氏双缝干涉利用分波前干涉。原理如右图所示。杨氏双缝干涉原理图2004-12-30马氏干涉仪传统的马氏干涉仪属于等臂干涉仪之一，利用分振幅干涉。原理性光路见（图一）实验中用He-Ne激光器作光源，稳定条件下（无外界条件改变时），干涉图样呈现出稳定的直条纹。图一，马氏干涉仪原理光路2004-12-30空气中的干涉条纹图样图二，空气中的马氏干涉图样2004-12-30磁致伸缩材料实验中用到新金属材料铽镝铁(TbDyFe2)。该材料在外加磁场的情况下会发生长度的变化。图三，磁致伸缩材料的特性曲线右图为磁致伸缩回线图2004-12-30磁致伸缩材料右图为磁致伸缩材料的单向特性图A区为极化区，磁致伸缩效应不明显B区为工作区C区为饱和区2004-12-30磁致伸缩材料右图为工作区的特性图磁致伸缩系数1.14ppm/Oe2004-12-30光纤电流传感器利用光纤干涉仪和磁致伸缩材料可以组成光纤干涉传感器。原理如（图三）所示。当磁致伸缩材料所处区域磁场发生变化时，就会观察到原本稳定的直条纹发生移动。2004-12-30光纤电流传感器当磁场的改变由电流来控制时，我们观察到的条纹变化就在一定程度上反映了电流的变化。至于电流变化和条纹变化之间的关系，要由实验来确定。2004-12-30理论推导2004-12-30理论推导2004-12-30理论推导2004-12-30结果估算2004-12-30实验仪器本实验用到的仪器：主要元件电学仪器光学仪器其它辅助仪器与相关用具2004-12-30主要元件光纤直径125um内芯8um长1m自制缧线管长25.0cm内径3.0cm外径4.0cm载物台长26.0cm宽2.8cm一层绕线约400匝共绕8层电阻22.4欧2004-12-30主要元件短磁致伸缩棒长3.0cm，直径0.63cm,磁致伸缩系数1.14ppm/Oe长磁致伸缩棒长8.0cm，直径0.60cm,磁致伸缩系数1.14ppm/Oe2004-12-30光学仪器JDW-3型He-Ne激光器波长632.8nm精密调节支架调节精度1um接收端封闭黑盒2004-12-30电学仪器WYJ-98型晶体管稳压电源UT58E型数字式万用表使用20A直流电流档最大输出电压30V最大输出电流5A此外，还有滑线变阻器一个，全电阻26.2欧，额定电流3.8A以及单刀双掷开关一个，导线若干。2004-12-30其它辅助仪器与相关用具JA21002数字式天平最小称量0.01g加热固化胶水所用的电炉功率600W2004-12-30其它辅助仪器与相关用具剥光纤外皮的钳子与切割光纤的刀具CCD接收系统票架若干（用来固定磁致伸缩棒）2004-12-30其它辅助仪器与相关用具永磁体直径1.0cm总长2.0cm表面磁强400mT软铁相对磁导率约1002004-12-30其它辅助仪器与相关用具353N胶水AB胶以十比一混合发生化学反应可以有效固定光纤于光洁表面2004-12-30实验操作过程实验过程：1.光纤的固定2.固定磁致伸缩棒、软铁和永磁体3.激光注入与输出4.电路连接5.调节测量2004-12-30光纤的固定实验的第一步是将光纤固定在磁致伸缩棒上。将光纤被固定的部分外皮剥去，张紧、沿径向贴于磁致伸缩棒的表面。在棒的两端涂抹配好的353N胶水后，放到烤炉上加热至100摄氏度并持续加热3min后即可牢牢固定。右图是实验中用到的加热装置。加热支架与烤炉2004-12-30光纤的固定注意事项：用天平称量白胶和黄胶，以质量比十比一的比例取用。混合后沿一个方向均匀搅拌１分钟即可使用。光纤在固定前一定要张紧，否则看不到明显的磁致伸长效应。2004-12-30固定磁致伸缩棒、软铁和永磁体先将带有光纤的磁致伸缩棒用胶带固定于载物台中部。分别在两边距棒端面5mm处放置软铁，也用胶带固定。将永磁体RbFeB按正确的极性吸附在软铁外端面。固定好磁致伸缩棒、软铁和永磁体的载物台2004-12-30固定磁致伸缩棒、软铁和永磁体将另一根光纤平也平放在载物台上，轻轻地贴着前一根光纤放好。两根光纤处于相同的温度环境中，可以避免环境扰动的影响。将载物台推入螺线管中，用螺丝固定，核心部件组装完成。将载物台推入螺线管中2004-12-30激光的注入与输出在两根光纤的四个引出端分别切出平行度较好的端面，做为注入端与输出端。将两个注入端并束，用一个精密调节支架实现激光注入。将两个输出端并束，用黑盒实现观测。激光注入激光输出2004-12-30激光的注入与输出激光的注入效果激光的输出效果2004-12-30激光的注入与输出右图为CCD界面上观察到的输出干涉条纹。2004-12-30电路连接按照电路图连接电路给黑盒内的CCD供电，并将信号线接于计算机数据采集卡上，实现计算机屏幕观测。2004-12-30调节测量将输出电压调至最低，闭合电键。待条纹稳定之后，就可以通过改变电流来观测现象和进行测量了。右图为计数界面下观察到的条纹情况。2004-12-30调节测量下面是电流连续改变的情况下观察到的现象。2004-12-30实验结果实验数据表2004-12-30实验结果短磁致伸缩棒实验数据一2004-12-30实验结果短磁致伸缩棒实验数据二2004-12-30实验结果长磁致伸缩棒实验数据一2004-12-30实验结果长磁致伸缩棒实验结果二2004-12-30讨论线性度与耦合系数：实验数据的线性度是相当好的，实验数据的拟合线性相关度均在0.999以上。尤其是考虑到实验中对于相位测量的不准确度（条纹移动条数是存在不准确度的，并且无法测至0.1条），那么这样的数据还是很有质量的。对于短棒线性拟合的斜率120.3mA；对于长棒，该值为26.9mA条，与估算值的量级完全一致。这些说明实验中，磁致伸缩棒确实有效地工作在线性区，并且棒的伸缩性与稳定性都得到了很好的检验。2004-12-30讨论误差：短棒的耦合系数误差值比长棒要大；并且两者的相对误差均在1%左右。像上面提到的一样，此时的误差也许是没有实际意义的，因为在判断条纹到底是否移动了整整一条时，肉眼的能力有限，往往判断稍有偏差，得到的数据就会差十几毫安。但从这样小的误差中也可以看出，整体测量的方法是可行的，磁致伸缩棒长度的微增量和光纤对于长度变化的反应恰好在本实验中达到一致的水平。2004-12-30讨论一是极化场不够强。极化场明显没有达到300Oe的理想值，并且永磁体极化场的不均匀性导致总体伸长是各点伸长效果的叠加。当然，其实最好的极化效果是不用永磁体，仅靠螺线管的性能达到极化的目的，但我们现行的螺线管产生磁场还是很有限的。2004-12-30讨论二是温度漂移。实验中我们能够察觉到，实验数据是和温度相联系的。虽然从估算中我们发现发热功率并不大，短时间内不能造成明显温度升高，但由于多次测量的缘故，以及螺线管材料是有机玻璃，隔热差，所以还是会有一些影响。当然，这也说明我们所用的光纤对温度变化的反应还是很敏感的，实验中管内温度上升大约1摄氏度左右。2004-12-30讨论三是相位测量技术的影响。比起先进的相位测量技术而言，我们只能对条纹移动一条以上进行判断，在总移动条数为40左右的情况下也是显得十分粗略的，条纹移动数误差可在半条左右。可以说我们现在的干涉仪还不能做为真正意义上的测量仪器来使用，仅能停留在实验室阶段半个学期的实验，我们在这过程中收获很多，基本达到了实验的目的。