光纖環及其骨架材料膨脹系數測量方法研究與實現

高涵，陳亮，韓正英，金尚忠

(1.中國計量學院光電學院，浙江杭州310018;2.中國電子科技集團公司第41研究所，山東青島266555)

光纖環及其骨架材料膨脹系數測量方法研究與實現

高涵1，陳亮1，韓正英2，金尚忠1

(1.中國計量學院光電學院，浙江杭州310018;2.中國電子科技集團公司第41研究所，山東青島266555)

介紹了一種光纖環及其骨架膨脹系數的簡易測量方法，并組建了測量系統。利用鋁材和不銹鋼，對系統的可行性進行了驗證，同時用該系統測量了光纖環及不同骨架的膨脹系數，并對實驗數據進行了分析研究，實驗結果表明:該系統能夠為找出與光纖環相匹配的骨架材料提供技術支撐，具有一定的實用和推廣應用價值。

光纖環;骨架材料;膨脹系數;測量

0 引言

光纖陀螺是一種慣性儀表，它是通過檢測光纖環中順、逆時針方向傳輸的兩束光的光程差來測量載體的旋轉速率。目前光纖陀螺用光纖環主要有兩種:有骨架和無骨架，應用較多的是有骨架的光纖環，但是由于光纖環與骨架材料的膨脹系數通常不一致，在環境溫度變化時骨架會對光纖環產生擠壓或拉伸，對光纖環的性能造成較大影響，所以，通常需要對光纖環及其骨架材料的膨脹系數進行測量，以便找出與光纖環相匹配的骨架材料［1－3］。

對固體材料線性膨脹系數的測量方法主要有頂桿式膨脹計法、干涉法、激光干涉法。頂桿式膨脹計法常用于耐火材料，這種測量方法采用的儀器設備多為電感式膨脹儀，其傳感器為差動變壓器。雖然該方法能涵蓋低溫、中溫和高溫范圍，測量范圍廣，但由于實驗時頂桿和支持器尺寸較長，高溫爐難以溫度均勻地對試樣進行加熱，頂桿和支持器之間的膨脹量一般難以互相抵消，所測得膨脹測量值在多數情況下需要矯正。

干涉法利用邁克爾遜干涉儀干涉原理測量試樣的線變化，主要用于固體材料線膨脹系數的測量［4］。由于使用該方法測量時邁克爾遜干涉儀鏡面的移動是通過加熱固體試樣來實現的，在溫度較高時有偏離原方向的可能性，因而增加了實驗的操作難度，另外該方法對測量環境的要求也比較高。

激光干涉法具有測量準確和測量分辨力高的優點，主要在一些國家計量機構和對測量準確度有很高要求的實驗室中使用，由于設備昂貴，一般不適用于現場測量。同時該方法僅測量試樣的長度隨溫度的絕對變化，不與其他任何物質的物性發生關系，屬于絕對測量方法［2，5］。另外，在采用激光干涉法進行測量時，需要試樣表面有足夠的光反射強度，以便采集、測量干涉條紋的變化，在加熱過程中材料會發生形變和相變，樣品表面質量會發生變化，特別是在高溫環境下，有時材料表面質量難以保證能夠達到實驗的要求。

通過比較可以看出，上述幾種方法各有優缺點，但均不適宜用于光纖環及其骨架材料膨脹系數的測量。為此我們研制了一種用于光纖環及其骨架材料膨脹系數測量實驗系統。

2 實驗系統

2.1 測量原理

通常固體的長度隨溫度變化而改變，其長度和溫度之間的關系為L=L0(1+αt+βt+…)。式中:L0為t=0℃時固體的長度;α，β，…是與被測物質相關的常數。除α外各系數與α相比很小，在常溫下可以忽略，因此有L=L0(1+αt)，當固體的溫度分別為t1和t2時，其對應長度L1和L2可分別表示為

聯立(1)，(2)式可得

式中:α稱為固體的線性膨脹系數，℃－1;ΔL為長度的變化量，mm;Δt=t2－t1為溫度差，℃。由(4)式可見，只要測出L1，ΔL，t1，t2就可以求出α值。在測量光纖環及其骨架基本結構膨脹系數時，徑向ΔL記為ΔR，軸向ΔL記為ΔD。

2.2 系統組建

光纖環及其骨架膨脹系數測量系統如圖1所示，測量系統由底座、光纖環及其骨架用夾持機構、測量探針、位移數顯表組成，夾持機構、探針、位移數顯表均需位于同一垂直線上垂直于測量底座。其中光纖環及其骨架用夾持機構及測量用探針由熱惰性材料制成，以降低熱傳遞效率，避免被測光纖環及其骨架固定時局部溫度的驟變，減小位移測量的誤差;另外為加大探針與被測件的接觸面積，降低接觸點的壓強，將探針的直徑尺寸設計約為10 mm，能有效減小被測件接觸點的壓變形;位移數顯表為內置光柵尺式，其位移測量分辨力達0.001 mm，能夠直接測量光纖環及其骨架材料徑向和軸向長度微小相對變化量。

圖1 膨脹系數測量示意圖

從公式(4)中可以看出，為使光纖環或骨架的膨脹系數精度保持較好水平，需要調高L1，ΔL，t1，t2的測量精度，特別是對ΔL的測量，由于變化量較小，對測量儀器的要求較高，為此在測量系統的組建過程中對微位移和溫度的高精度測量進行了重點考慮。

2.2.1 微位移的測量

采用內置光柵尺的位移數顯表測量光纖環及其骨架的微小膨脹量，位移數顯表包含光柵尺傳感器和數顯表，其中光柵尺傳感器利用光柵的光學原理工作的測量器件，其測量的輸出信號為數字脈沖，具有測量范圍大、精度高、響應速度快的特點;數顯表是對光柵尺傳感器輸出脈沖的接收、計數、處理并顯示的部件。本測量系統中采用的位移數顯表的測量分辨力為0.5μm，測量誤差為1μm，通常測量的微位移最小數值能達到30μm以上，由此引起的測量偏差可控制在3%，對光纖環及其骨架的膨脹系數的測量結果造成的影響可以忽略。

2.2.2 溫度控制箱

溫度控制箱主要為光纖環及其骨架膨脹系數測量提供環境條件，該設備采用半導體制冷/熱源，采用高精度智能化PID溫度控制儀表，既能顯示溫度又能控制溫度，通過專用控制電路，實現對制冷器制冷/制熱自動轉換控制，將溫度控制在所設定的溫度值上，同時在溫度控制范圍內實現八段可編程溫度控制，本系統采用的半導體制冷/制熱溫度控制箱，其溫度的控制范圍達到－45～+85℃，控溫誤差為0.1℃。

2.2.3 被測件溫度測量

由于溫度控制箱顯示的溫度與放置在腔體光纖環及其骨架的實際溫度有一定差別，為得到被測件精確的溫度值，采用對被測件進行直接測溫的方法。為此，設計了一四路測溫測量儀，將其中的三個小型溫度探頭直接粘貼在被測件的三個不同部位，待溫度平衡時三個探頭測量值在誤差范圍內應一致，以此溫度值為被測件的實際溫度計算膨脹系數。

2.2.4 溫度傳感器

由于溫度控制箱的腔體較小，同時考慮內部溫度場問題，對腔體的密封要求較高，所以，測溫儀所選用的溫度傳感器體積要盡可能小，測溫線性好，連接導線要盡可能細。溫度傳感器種類繁多，常見的主要有熱電偶、鉑電阻、模擬集成溫度傳感器以及熱敏電阻等。

1)熱電偶。根據熱電效應原理將溫度變化轉變成電壓變化的熱敏傳感器，其靈敏度一般在－200～+ 2000℃之間，經常應用于500℃以上的高溫區。

2)鉑電阻。鉑電阻具有溫度系數高、電阻率高、性能穩定、輸出特性良好等特點，接近測量范圍極限時呈非線性，但在非極限測量范圍內線性度好，每攝氏度可以改變幾分之一歐姆，測溫范圍為－260～+ 850℃，適合穩定性為0.05℃的系統。

3)模擬集成溫度傳感器。可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用集成電路，如AD590，LM335等。它們的特點是功能單一、靈敏度高、測溫誤差小、價格低、響應速度快、線性度好;其缺點是測溫范圍比較窄。其中，AD590/592測溫范圍為－25～+105℃，LM335測溫范圍為－40～+100℃。

4)熱敏電阻。熱敏電阻具有穩定性好、尺寸小、靈敏度高和價格低廉等優點，每攝氏度可以改變幾百萬歐姆，適合穩定性超過0.01℃的系統;但熱敏電阻的電阻率隨溫度的增加而非線性減小，測溫范圍也較窄(－80～+150℃)。

綜合考慮溫度傳感器性能，結合實際應用，最終選擇精度較高的AD590作為測溫儀用溫度傳感器，測溫范圍－55～+150℃，非線性誤差±0.3℃，測溫誤差±0.1℃，可以滿足溫度測量需要。

2.3 測量方法

光纖環及其骨架膨脹系數的測量分為徑向和軸向。測量徑向膨脹系數時，將被測光纖環置于高低溫交變實驗箱中升高溫度至60℃并保持足夠時間，當光纖環所處溫度均勻后，迅速通過測量裝置的固定塊垂直于底座放置，同時將位移數顯表置零，保持裝置不動，使測針壓在被測光纖環徑向最高點，待被測光纖環溫度冷卻到室溫后，讀出位移數顯表讀數，該讀數即為徑向變化量ΔR，同時在室溫下測出被測光纖環的基本尺寸L，采用上述公式(4)計算得徑向膨脹系數。測量光纖環軸向膨脹系數時，需將光纖環固定于夾持裝置平行于底座放置，將加熱后溫度均勻的光纖環軸向一側垂直于測針放置，同時將位移數顯表置零，待被測光纖環溫度冷卻到室溫后讀出位移數顯表讀數，該讀數即為軸向變化量ΔD，同樣地代入上述公式(4)計算可得軸向膨脹系數。

3 實驗數據分析

為驗證該系統的可靠性和實用性，我們分別測量了鋁合金環、無骨架光纖環及不同材料骨架徑向和軸向膨脹系數。具體測量數據如表1所示。

表1 膨脹系數測量數據

由表1數據可以看出所測得的鋁合金環和不銹鋼環徑向和軸向膨脹系數基本相同，且與其理論值(鋁合金:1.88×10－5～2.36×10－5，不銹鋼:1.44×10－5～1.60×10－5)相近，由此表明該實驗系統所測得的數據是可靠的和可信的。比較1#和2#材料骨架的測量數據，可以看出，1#材料骨架徑向變化量波動較大，可能發生了形變或膨脹系數不均勻，不適宜作光纖環的骨架; 2#材料骨架軸向和徑向膨脹系數變化不大，比較適合用作光纖環的骨架。

4 結論

本文所述測量方法采用了微位移法直接測量光纖環及其骨架材料徑向和軸向長度微小變化量;該測量方法測量范圍較大，對被測材料的形狀沒有特別要求，也無需對被測件進行特殊加工。較之其他方法，本文所介紹的方法不需要繁雜的測量過程，對測量環境的溫度也沒有特殊要求，能夠滿足光纖環及其骨架膨脹系數的測量，為找出與光纖環相匹配的骨架材料提供技術支撐。本實驗系統存在一定的局限性，只能用于高溫部分的膨脹系數的測量，不適宜用于低溫情況下的測量。

［1］Farkas D，Birchenall C E.New Eutectic Alloy sand Their Heats of Transformation［J］.Metallurgical Transaction A，1985 (16A):323－328.

［2］Hiromichi Watanabe，Yamada N，Okaji M.Development of a Laser Interferometric Dilatometer for Measurements of Thermal Expansion of Solidsinthe Temperature Range 300 to 1300K［J］. Internationnal Joural of Thermophysics，2002，23(2): 543－544.

［3］韓書新.光纖陀螺用保偏光纖及光纖環測試方法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2009.

［4］鄭文軒，吳勝舉，楊瑛.用邁克爾遜干涉儀測固體線脹系數［J］.實驗科學與技術，2007，5(6):8－9.

［5］王勇，湯劍鋒.激光干涉法測固體的線膨脹系數［J］.湖南文理學院學報，2009，21(3): 48－49.

Study on the M easurement of Linear Expansion Coefficient of Fiber Loop and Its Skeleton

GAO Han1，CHEN Liang1，HAN Zhengying2，JIN Shangzhong1
(1.College of Opto－electronic Technology，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China; 2.The 41st Research Institute of CETC，Qingdao 266555，China)

An easymeasurementmethod is proposed for the linear expansion coefficient of fiber loop and its skeleton，and ameasurement system was established.Aluminium products and stainless steelwere used to verify the feasibility of the system.By analysing the linear expansion coefficient of the fiber loop and different skeletons，we concluded that this system could be used in finding skeletons that match the fiber loop.This system is practical with a wide range of application.

fiber loop;skeleton material;linear expansion coefficient;measurement

TB96;TN253

A

1674－5795(2015)01－0045－04

10.11823/j.issn.1674－5795.2015.01.11

2014－10－22;

2014－11－17

高涵(1994－)，女，本科在讀，從事光纖通信和光纖傳感方向的研究;陳亮，男，副教授，博士(后)，從事光電探測系統、光電智能儀器及LED智能照明技術方向的研究。