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光纤传感应用综合实验GCFS-B实验讲义武汉光驰科技有限公司Wuhan Guangchi Technology Co.,LTD0 / 50目录光纤端场传感实验的理论基础 (4)实验一、LD光源的P-I,V-I特性曲线 (12)实验二、透射式横(纵)向光纤位移传感（光纤数值孔径测量）15实验三、反射式光纤位移传感（光纤液位测量） (22)实验四、微弯式光纤位移/压力传感 (28)实验五、光纤端场角度传感 (33)实验六、光纤温度压力传感（传光型） (37)实验七、光纤火灾预警系统实验 (40)实验八、光纤照明实验系统设计 (45)1 / 50前言光纤是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地。
光纤的出现产生了光纤通信技术，而光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的.在光通信系统中,光纤被用作远距离传输光波信号的媒质,显然,在这类应用中,光纤传输的光信号受外界干扰越小越好.但是,在实际的光传输过程中,光纤易受外界环境因素影响,如温度,压力,电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强,相位,频率,偏振,波长等的变化.因而,人们发现如果能测出光波参数的变化,就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小,于是产生了光纤传感技术.光纤传感器始于1977年，与传统的各类传感器相比有一系列的优点,如灵敏度高,抗电磁干扰,耐腐蚀,电绝缘性好,防爆,光路有挠曲性,便于与计算机联接,结构简单,体积小,重量轻,耗电少等.光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型.功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,所以也称为传感型光纤传感器,或全光纤传感器.非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为传输介质,传输来自远外或难以接近场所的光信号,所以也称为传光型传感器,或混合型传感器.光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤2 / 50传感器,相位调制光纤传感器,频率调制光纤传感器,偏振调制光纤传感器和波长(颜色)调制光纤传感器.光纤传感器按被测对象的不同,又可分为光纤温度传感器,光纤位移传感器,光纤浓度传感器,光纤电流传感器,光纤流速传感器,光纤液位传感器等.光纤传感器可以探测的物理量很多,已实现的光纤传感器物理量测量达70余种.然而,无论是探测哪种物理量,其工作原理无非都是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数,使其随之变化,然后对已调制的光信号进行检测,从而得到被测量.因此,光调制技术是光纤传感器的核心技术.鉴于以上专业背景,我们开发并研制出了光纤传感实验系统.本实验系统的开放性,分立式可以增强学生对光纤传感的感性认识,提高学生的基本技能.在实验教学过程中,从实验原理,实验内容到实验仪器,实验方法等都很适合工科物理实验的教学要求,将应用技术和基础实验很好的结合起来.本手册仅供使用光纤传感实验系统从事物理实验以及光纤传感应用的教师,学生和技术人员参考.限于作者水平,手册中谬误难免,恳请读者不吝批评指正.衷心希望在我们的共同努力下,能够推进光纤传感这一先进技术的学习和普及.3 / 50光纤端场传感实验的理论基础光纤传感器一般可分为两大类，即功能型传感器（Function fiber optic sensor）和非功能型光纤传感器（Non-function fiber optic sensor）。
山西大学综合化学实验报告实验名称综合热分析法测定CaC2O4·H2O的脱水、分解曲线以及用非等温方法计算各步反应的活化能学院化学化工学院学生姓名专业学号年级指导教师二Ο年月日综合热分析法测定CaC2O4·H2O的脱水、分解曲线以及用非等温方法计算各步反应的活化能摘要：热分析是在程序控温下测定物质的物理性质与温度关系的一类技术。
由于物理化学过程都伴随有热效应，而且固-气体系在反应过程中又可出现固相或液相的质量变化。
因此，可借于对其热效应或质量的测定来了解过程的变化，从而解决研究中的一些问题。
这种方法的特点是由简单的实验曲线可以了解体系的变化过程和计算出物理化学参数，给研究者带来很大的方便。
本实验主要是了解差热和热重分析法的基本原理及方法，用同步热分析仪来测定差热和热重曲线并求出各步反应活化能。
关键词：差热分析示差扫描量热分析 CaC2O4·H2O 活化能引言热分析是研究物质随温度变化所发生的物理化学过程以及相应产生的性质状态变化的一种方法，这种分析方法应用广泛的一类技术。
热分析技术种类很多，比较常用的方法有差热法（DTA），热重法（TG）（包括微分热重（DTG）），差示扫描量热法（DSC）。
（1）热重分析热重分析是在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术。
热重法实验得到的曲线称为热重（TG）曲线。
TG 曲线以温度作横坐标，以试样的失重作纵坐标，显示试样的绝对质量随温度的恒定升高而发生的一系列变化。
如图10.1CaC2O4·H2O 的热重曲线，有三个非常明显的失重阶段。
第一个阶段表示水分子的失去，第二个阶段表示CaC2O4 分解为CaCO3，第三个阶段表示CaCO3 分解为CaO。
CaC2O4·H2O的热失重比较典型，在实际上许多物质的热重曲线很可能是无法如次明了地区分为各个阶段的，甚至会成为一条连续变化地曲线。
这时，测定曲线在各个温度范围内的变化速率就显得格外重要，它是热重曲线的一阶导数，称为微分热重曲线（图10.1 也显示出了CaC2O4·H2O 的微分热重曲线（DTG））。
中考物理复习---声光热综合实验题练习（含答案解析）1．（2022•六盘水）小明发现篮球的气压不足，于是用打气筒给篮球打气。
在收起打气筒时发现外壁有些发热。
于是他想，是什么原因导致打气筒的外壁发热呢？小明就这个问题与同学小红进行了交流，联系所学物理知识，他们提出了以下两个猜想：A．活塞在筒内往复运动时，与筒壁摩擦导致发热B．活塞在筒内往复运动时，不断压缩气体做功导致发热于是他们设计了实验进行探究，选用的实验器材有：打气筒、测温枪、计时器、气压不足的篮球等，分别在打气筒的上部和下部标注两个测温点，如图所示。
请回答下列问题：（1）打气筒内壁的热量是通过热传递的方式传递到外壁。
（2）活塞在打气筒内向下运动时的能量转化过程，与四冲程内燃机的压缩冲程相同。
（3）用打气筒往气压不足的篮球内打气，10秒内使活塞在筒内往复运动20次，立即用测温枪测出此时两个测温点的温度。
待打气筒外壁温度降至室温（25℃）后，放出篮球中的部分气体，重复上述操作。
实验数据记录如下表：小明分析上表实验数据得出：导致打气筒外壁发热的原因是活塞在筒内往复运动时，不断压缩气体做功导致发热。
（4）小红回顾整个实验过程，分析实验数据，认为小明得出的结论不够严谨，理由是在实验过程中，活塞向下运动时既克服摩擦做功，又压缩空气做功，无法准确的确定外壁发热的原因。
于是他们对实验进行改进，对猜想A再次进行探究，你认为他们的改进方法是打气筒不与篮球连接，直接让活塞在相同的时间内往复运动相同的次数，用测温枪测出打气筒外壁的温度与打气筒往气压不足的篮球内打气时打气筒外壁的温度进行比较，进而得出结论。
【答案】（1）热传递；（2）压缩；（3）活塞在筒内往复运动时，不断压缩气体做功导致发热；（4）在实验过程中，活塞向下运动时既克服摩擦做功，又压缩空气做功，无法准确的确定外壁发热的原因；打气筒不与篮球连接，直接让活塞在相同的时间内往复运动相同的次数，用测温枪测出打气筒外壁的温度与打气筒往气压不足的篮球内打气时打气筒外壁的温度进行比较，进而得出结论。
机械换热综合实验报告换热器性能测试试验，主要对应用较广的间壁式换热器中的三种换热：套管式换热器、板式换热器和列管式换热器进行其性能的测试。
其中，对套管式换热器和、板式换热器可以进行顺流和逆流两种流动方式的性能测试，而列管式换热器只能作一种流动方式的性能测试。
实验装置控制面板如图1：换热器性能试验的内容主要为测定换热器的总传热系数，对数传热温差和热平衡误差等，并就不同换热器，不同两种流动方式，不同工况的传热情况和性能进行比较和分析。
一、 实验目的1、熟悉换热器性能的测试方法；2、了解套管式换热器，板式换热器和列管式换热器的结构特点及其性能的差别；3、加深对顺流和逆流两种流动方式换热器换热能力差别的认识；二、 实验装置本实验装置采用冷水可用阀门换向进行顺逆流实验；如工作原理图2所示。
换热形式为热水—冷水换热式。
T2加热水箱1500W=3个排水阀流量调节阀板式加自来水冷水箱T45路冷水出温度T34路冷水进温度列管换热器板式换热器列管排水阀流量调节阀列管板式1路热水进温度T13路涡轮流量计流量套管出水压力进水压力套管换热器开逆流开顺流开顺流开逆流进水压力套管T5热水箱温度控制出水压力图2 换热器综合实验台原理图本实验台的热水加热采用电加热方式，冷—热流体的进出口温度采用巡检仪，采用温控仪控制和保护加热温度。
实验台参数：1、换热器换热面积{F}：（1）套管式换热器2×3.14×0.006×0.748=0.02818464×8=0.225477122×3.14×0.006×0.095=0.0035796×7=0.02505720.22547712+0.0250572=0.25053432m2（2）板式换热器换热面积：0.028 m2×24片=0.672 m2（3）列管式换热器 1.0 m22、电加热器总功率：1.5KW×3 =4.5KW。
热机效率综合实验仪引言热效率实验仪可以作为热机或热泵使用，当它作为一个热机使用时，从高温热源发出来的热量通过电流流过一个负载电阻来做功，可以测出热机的实际效率而且可以与理论最大效率相比。
当它作为一个热泵时，将热量从低温热源传递到高温热源时，可以测出热泵的实际制冷系数并和理论上的制冷系数比较。
1821年，德国物理学家托马斯•约翰·•约翰塞贝克发现，当给连接在一起的不同金属加热时，就会产生电流，这一现象称为塞贝克效应，这也是热电偶的基本原理。
之后，在1834年，法国物理学家让•查尔斯•珀尔帖发现塞贝克效应的逆效应，根据电流的流向，连接在一起的金属会引起吸热或放热。
这种热电转换器被称为珀尔帖片。
本热效率实验仪是以珀尔帖片为核心构建的。
图a 帕尔帖内部结构帕尔帖片是由P型和N型半导体构成，如图a。
当P-N对的两端存在温度差时，N型半导体中的电子由热端向冷端扩散，使N型半导体的冷端带负电而热端带正电；同时P型半导体中的空穴也由热端向冷端扩散，使P型半导体的冷端带正电而热端带负电，通过金属片将P型半导体和N型半导体的热端连接起来形成P-N对，则在P型半导体的冷端和N型半导体的冷端输出直流电压，将多个P-N对串联起来就可以得到较大的输出电压，从而实现“温差发电”，如图b。
当给帕尔帖片通直流电流时，根据电流方向的不同，将在一端吸热，在另一端放热，从而实现“制冷”。
图b 发电过程图c 制冷过程帕尔帖片虽然效率低，但可靠性高，不需要循环流体或移动部件。
典型的应用如卫星电源和远程无人气象站等。
实验原理热机热机是利用一个高温热源和一个低温热源的温差来做功。
对于热效率实验仪，热机是利用电流通过一个负载电阻来做功，做功最终产生的热量，被负载电阻所消耗（焦耳热）。
热机原理如图1所示，根据能量守恒定律（热力学第一定律）得出C H Q W Q +=热机的热输入等于热机所做的功加上向低温热源的排热量。
热机TcT hW热端QcQ h冷端图1 热机实际效率热机的效率定义为HQ W e =如果把所有的热输入转换成有用功，热机的效率就会为1，因此它的效率总是小于1的。
传 热 综 合 实 验一、实验目的1.通过对本换热器的实验研究，可以掌握对流传热系数αi 的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。
2.应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr 0.4中常数A 、m 的值。
3.通过对管程内部插有螺旋线圈的空气-水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式Nu=BRe m中常数B 、m 的值和强化比Nu/Nu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。
二、实验原理对于流体在圆形直管中作强制湍流时的对流传热系数的准数关联式可以表示成：n m C Nu Pr Re = （1）系数C 与指数m 和n 则需由实验加以确定。
对于气体，Pr 基本上不随温度而变，可视为一常数，因此，式（1）可简化为：m A Nu Re = （2）式中： λαd Nu 2=μρdu =Re 通过实验测得不同流速下孔板流量计的压差，空气的进、出口温度和换热器的壁温（因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内、外壁温度与壁面的平均温度近似相等），根据所测的数据，经过查物性数据和计算，可求出不同流量下的Nu 和Re ，然后用线性回归方法确定关联式m A Nu Re =中常数A 、m 的值。
三、 设备主要技术数据 1. 传热管参数:表1 实验装置结构参数2.空气流量计(1) 由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。
空气流量由公式[1]计算。
（第1套）6203.00)(113.18P V t ∆⨯=………………………………………………………………[1] （第2套）6203.00)(113.18P V t ∆⨯=………………………………………………………………[1] 其中，0t V - 20℃ 下的体积流量，m 3/h ；P∆-孔板两端压差，Kpa1tρ-空气入口温度（及流量计处温度）下密度，kg/m 3。
(m3/h)与压差之间的关系。
(2) 要想得到实验条件下的空气流量V (m 3/h)则需按下式计算: 02732730t tV V t ++⨯= (2)其中，V -实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m 3/h ；t -换热器管内平均温度，℃；t 1-传热内管空气进口（即流量计处）温度，℃。
3.温度测量(1)空气进、出传热管（光滑管、粗糙管）测量段的温度由热电阻温度计测量，从多路数字显示仪表直接读出。
（1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-粗糙管空气入口温度；4-粗糙管空气出口温度；5-加热器内温度）(2)套管换热器内管内壁面平均温度（热电偶是由铜─康铜组成）tw( ℃ )由数字式显示表得到。
（上读数-光滑管壁面温度；下读数-粗糙管壁面温度） 4.电加热釜是产生水蒸汽的装置,使用体积为7升(加水至液位计的上端红线),•内装有一支2.5kw 的螺旋形电热器,当水温为30℃时,用200伏电压加热,约25分钟后水便沸腾,为了安全和长久使用,建议最高加热(使用)电压不超过200伏(由固态调压器调节)。
5. 气源(鼓风机)又称旋涡气泵, XGB ─12型 ,电机功率约0.55 KW(使用三相电源),在本实验装置上,产生的最大和最小空气流量基本满足要求,使用过程中,•输出空气的温度呈上升趋势。
6. 稳定时间是指在外管内充满饱和蒸汽,并在不凝气排出口有适量的汽(气)•排出,空气流量调节好后,过15分钟,空气出口的温度t 2 ( ℃ )可基本稳定。
四、实验设备流程图:1、普通套管换热器；2、内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3、蒸汽发生器；4、旋涡气泵；5、旁路调节阀；6、孔板流量计；7、风机出口温度（冷流体入口温度）测试点；8、9空气支路控制阀；10、11、蒸汽支路控制阀；12、13、蒸汽放空口；14、蒸汽上升主管路；15、加水口；16、放水口；17、液位计；18、冷凝液回流口空气-水蒸气传热综合实验装置流程图五、实验方法及步骤1.实验前的准备,检查工作.(1) 向电加热釜加水至液位计上端红线处。
(2) 检查空气流量旁路调节阀是否全开。
(3) 检查蒸气管支路各控制阀是否已打开。
保证蒸汽和空气管线的畅通。
(4) 接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。
2. 实验开始.(1)一段时间后水沸腾,水蒸汽自行充入普通套管换热器外管，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。
(2) 约加热十分钟后,可提前启动鼓风机,保证实验开始时空气入口温度t1(℃)比较稳定。
(3) 调节空气流量旁路阀的开度,使压差计的读数为所需的空气流量值(当旁路阀全开时,通过传热管的空气流量为所需的最小值,全关时为最大值)。
(4)稳定5-8分钟左右可转动各仪表选择开关读取t1,t2,E值。
(注意：第1个数据点必须稳定足够的时间)(5) 重复(3)与(4)共做7～10个空气流量值。
(6) 最小,最大流量值一定要做。
(7) 整个实验过程中,加热电压可以保持(调节)不变,也可随空气流量的变化作适当的调节。
3．转换支路，重复步骤2的内容，进行强化套管换热器的实验。
测定7～10组实验数据。
4．实验结束.(1) 关闭加热器开关。
(2) 过5分钟后关闭鼓风机,并将旁路阀全开。
(3) 切段总电源。
六、使用本实验设备应注意的事项1．检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。
特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。
2．必须保证蒸汽上升管线的畅通。
即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀之一必须全开。
在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。
3．必须保证空气管线的畅通。
即在接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。
在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。
七、数据记录及处理2.实验数据的计算过程简介(以普通管一组数据为例)。
孔板流量计压差P∆=0.59Kpa、进口温度t1 =21.8℃、出口温度t2 =68.6℃壁面温度热电势4.239mv 。
已知数据及有关常数:(1)传热管内径d i (mm)及流通断面积 F (m 2). di ＝20.0(ｍｍ),＝0.0200 (ｍ);F ＝π(d i 2)／4＝3.142×(0.0200)2／4＝0.0003142( m 2).(2)传热管有效长度 L(ｍ)及传热面积s i (m 2). L ＝1.00（ｍ) s i ＝πL d i ＝3.142×1.00×0.0200＝0.06284(m 2).(3) t 1 ( ℃ )为孔板处空气的温度, 为由此值查得空气的平均密度1tρ，例如：t 1=29.8℃，查得1t ρ=1.19 Kg/m 3。
(4)传热管测量段上空气平均物性常数的确定.先算出测量段上空气的定性温度t (℃)为简化计算,取t 值为空气进口温度t 1(℃)及出口温度t 2(℃)的平均值, 即26.688.21221+=+=t t t =45.2（℃） 此查得: 测量段上空气的平均密度 ρ＝1.11 (Kg/m 3);测量段上空气的平均比热 Cp ＝1005 (J ／Kg ·K); 测量段上空气的平均导热系数 λ＝0.0279／ｍ·K); 测量段上空气的平均粘度 μ＝0.0000194(s Pa ⋅); 传热管测量段上空气的平均普兰特准数的0.4次方为:Pr 0.4＝0.6960.4＝0.865(5)空气流过测量段上平均体积V （ m 3/h ）的计算:)/(06.13)21.0(113.18)(113.1836203.06203.00h m P V t =⨯=∆⨯=18.142027320.4527306.1327327310=++⨯=++⨯=t t V V t （m 3/h ）(6)冷热流体间的平均温度差Δtm (℃)的计算:Tw= 1.2705＋23.518×4.23=100.8(℃)()()56.552.458.100221=-=+-=∆t t T t w m （℃）(7)其余计算:传热速率(W)()2063600)8.216.68(100511.118.143600=-⨯⨯⨯=∆⨯⨯⨯=t Cp V Q t tρ（W ）()60)06284.055.55/(206/=⨯=⨯∆=i m i s t Q α （W/m 2·℃） 传热准数 430279.0/0200.060/=⨯=⨯=λαi i d Nu测量段上空气的平均流速()54.12)36000003142.0/(18.143600/=⨯=⨯=F V u （m/s ）雷诺准数0000194.0/11.154.120200.0/Re ⨯⨯=⨯=μρu d i =14400 （8）作图、回归得到准数关联式4.0Pr Re m A Nu =中的系数。
（9）重复（1）-（8）步，处理强化管的实验数据。
作图、回归得到准数关联式mB Nu Re =中的系数。
40Pr 8230Re 01870...Nu =。
