[实用新型]一种固体材料热膨胀系数测量仪

说明书

技术领域

发明属于光纤传感技术领域，涉及一种固体材料热膨胀系数测量仪。

背景技术

热膨胀系数是用以表明材料本身受热变形的固有属性。热膨胀系数是工程设计、精密仪器制造、材料焊接和加工中必须考虑的重要参数，又由于热膨胀系数是温度的函数，其具体数值会随着温度的变化而改变，如果仅仅采用手册上给定的平均线膨胀系数进行设计计算将会带来明显的误差。对于高精密的机械设计，必须通过实际测量在一定温度条件下待测材料的热膨胀系数，才能获取确切可靠的设计数据。

目前测试固体材料热膨胀系数的方法有：光杠杆法、云纹法、激光扫描微测法、电子散斑法等等。我们发现现有技术在不同程度上都存在着固有的缺陷和不足。例如：光杠杆法测试的温度范围小，分辨率低；云纹法要求在测试表面刻蚀精确的光栅，工艺要求高，对被测试件的质地要求也高，同时其光路要求复杂；激光扫描测微法和电子散斑法对实验平台的要求较高，抗干扰能力弱。

光纤环镜(fiber loop mirror，FLM)是一个应用十分广泛的器件。目前，FLM已被大量应用于波分复用滤波器和传感器中。在FLM中，两个反向传输的光波通过同一根光纤后发生干涉，由于经过的环境完全相同，因此可以有效消除外界干扰。由于高双折射的光子晶体光纤(highly birefringent photonic crystal fiber，HiBi-PCF)只由一种物质构成，所以HiBi-PCF具有极高的温度稳定性。目前，基于HiBi-PCF-FLM的传感器已有较广泛的应用，但是对于基于高双折射光子晶体光纤的固体材料热膨胀系数测量仪还没有被人们注意、开发研究较少。

发明内容

本发明之目的：本发明之目的是针对现有技术之不足，提出了一种基于高双折射光子晶体光纤的固体材料热膨胀系数测量仪。

为了实现上述本发明目的，拟采用以下技术：

本发明的特征在于：3-dB耦合器一侧的两个端口分别与DFB激光器以及光探测器的一端光纤连接，3-dB耦合器另一侧的两个端口分别与偏振控制器的一端以及HiBi-PCF的一端光纤连接，偏振控制器的另一端与HiBi-PCF的另一端光纤连接。固体热膨胀材料的两端以固定装置固定接于HiBi-PCF上，光探测器另一端与处理器连接。

本发明的最大特点：

采用高双折射光子晶体光纤的固体材料热膨胀系数测量仪可对固体材料热膨胀系数精确测量，并且对温度不敏感，抗干扰能力强，安全可靠。DFB激光器及光探测器的使用，取代了价格昂贵的宽带光源及光谱仪，使得成本大大降低。发明精度高、温度范围大、可靠性好、绝缘性好、抗电磁干扰、响应快、体积小、结构简单、成本低，大大增强了固体材料热膨胀系数测量仪的实用性。

附图说明

附图示意了发明的结构。

1：DFB激光器；2：3-dB耦合器；3：偏振控制器；4：HiBi-PCF；5：固定装置；6：固体热膨胀材料；7：光探测器；8：处理器。

具体实施方式

下面结合附图对发明进一步描述。

如附图所示，3-dB耦合器2一侧的两个端口分别与DFB激光器1以及光探测器7的一端光纤连接，3-dB耦合器2另一侧的两个端口分别与偏振控制器3的一端以及HiBi-PCF 4的一端光纤连接，偏振控制器3的另一端与HiBi-PCF4的另一端光纤连接。固体热膨胀材料6的两端以固定装置5固定接于HiBi-PCF 4上，光探测器7另一端与处理器8连接。

发明基于以下原理：入射光为宽带光时，由3-dB耦合器2分为两个反向传输的光信号分别从HiBi-PCF 4两端入射，其中由偏振控制器3控制光信号偏振态。两束光经过HiBi-PCF 4后产生相位延迟δ，当它们重新入射3-dB耦合器2时发生相干，在FLM透射谱上表现为梳状滤波的特性。当有温度变化时，固体热膨胀材料6就会膨胀产生应力，由于固体热膨胀材料6的两端以固定装置5固定接于HiBi-PCF 4上。这种轴向应力就会同时作用于HiBi-PCF 4传感头上，应力作用引起的弹光效应和HiBi-PCF 4的长度变化，改变了两束光的相位延迟δ，从而引起FLM谐振波谷的移动。DFB激光器1产生的DFB激光为一个窄带光，当以DFB激光作为入射光时，FLM谐振波谷的移动可通过检测DFB激光波长的光强度变化来反映。最终得到固体热膨胀材料6随温度的变化量，即可测得固体热膨胀材料6的热膨胀系数。

发明的具体工作过程为：以DFB激光作为入射光，温度变化使固体热膨胀材料6膨胀或者收缩产生应力，应力同时作用于HiBi-PCF 4传感头，引起经过FLM谐振波谷的移动，使得DFB激光波长的光强度大小发生变化，通过监测光强大小实现对固体热膨胀材料6的热膨胀系数的测量，使用光探测器7将光信号转化成电信号，最后用处理器进行解调。