综合物理实验学期总结
——光纤电流传感器
2004-12-30
02级物理系 常嵩 张翼 (03级物理系 邱文俊) 指导教师 刘志渊
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。
杨氏双缝干涉原理图
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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
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空气中的干涉条纹图样
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长磁致伸缩棒实验结果二
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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。
激光的输出效果
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。
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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。
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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。
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
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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
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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。
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
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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。
右图是实验中用到的加热 装置。
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加热支架与烤炉
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。
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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。
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。
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理论推导
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理论推导
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理论推导
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结果估算
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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。
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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。
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磁致伸缩材料
右图为工作区 的特性图 磁致伸缩系数 1.14ppm/Oe
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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。
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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。
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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。
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
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长磁致伸缩棒
长8.0cm，直径0.60cm, 磁致伸缩系数1.14ppm/Oe
光学仪器
接收端封闭黑盒
JDW-3型He-Ne激光器 波长632.8nm
精密调节支架 调节精度1um
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下面是电 流连续改 变的情况 下观察到 的现象。
调节测量
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实验结果
实验数据表
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实验结果
短磁致伸缩棒实验数据一
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实验结果
短磁致伸缩棒实验数据二
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实验结果
长磁致伸缩棒实验数据一
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实验结果
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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。
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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。
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致谢
实验过程中各方面给予了我们大力的支持。 刘志渊老师每周和我们就实验的问题进行 讨论，给我们提出了很多宝贵意见。徐万 劲老师指导我们进行光纤的固定，并为我 们找到了353N胶水。 段家忯老师也经常关心我们的工作进展， 并让郑老师、孙老师和臧老师从普物实验 室给我们借来了必要的仪器。 01级师兄程熹曾经做过光纤温度传感器， 在我们工作的过程中，给予了我们很多经 验。
将载物台推入螺线管中
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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
激 光
较好的端面，做为注
注 入
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。
激
光
将两个输出端并束，
输 出
用黑盒实现观测。
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激光的注入与输出
激光的注入效果
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JA21002数字式天平 最小称量0.01g

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
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票架若干（用来固 定磁致伸缩棒）
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
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软铁 相对磁导率约100
其它辅助仪器与相关用具
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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。
电学仪器
UT58E型数字式万用表 使用20A直流电流档
WYJ-98型晶体管稳压电源 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。
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其它辅助仪器与相关用具
加热固化胶水所用的电炉 功率600W
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图二，空气中的马氏干涉图样
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。
右图为 磁致伸 缩回线 图