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2025年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会

新工科背景下光纤光栅测温平台搭建和物理实验教学设计

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张一鸣，李欣泽，李炳杉，李宸昱，曾奕陶,赵伟，曲广媛，王中平，张增明

（中国科学技术大学1.物理学院；2.少年班学院，安徽省合肥市230026）

摘要：光纤布拉格光栅（FBG）作为一种高精度、强抗干扰能力的温度传感器，在现代测温领域具有广泛的应用潜力。本文设计并制作了一种基于

FBG的温度测量实验仪，通过理论分析、实验设计与数据处理，实现了单点测温及二维温度场的实时重建。实验利用FBG的布拉格波长随温度变化

的线性关系，结合自适应寻峰算法和高斯拟合技术，有效提高了测温精度和多峰光谱分析能力。结果表明，该实验仪在一定温度范围内具有良好的

线性响应，温度灵敏度系数约为10.54~10.98pm/℃。在该平台基础上可方便设计分层次的实验教学内容，能够满足新工科背景下物理实验课程对学

生创新实践技能的培养需求。

1光纤布拉格光栅工作原理2二维温度场重建

若在二维平面内布置多个测量点，同时测量多个点的温度后进行插值计算，也可以粗略

的对二维温度场进行实时的温度分布重建。

假设温度场为稳态且分布较为平滑，其温度分布函数T(x,y)散度为零，即可以用二维

2

拉普拉斯方程∇T(x,y)=0描述。

图1a.光纤光栅结构图.b.实测=1550光纤光栅的反射光谱通过串接布置光纤光栅传感器可在二维温度场中实时获取离散点的温度数据T(X,Y)，

之后采用自然插值算法对离散测量点连线区域内的数据进行拟合，而对此区域外数据进

有效折射率光栅周期行线性外推。自然插值方法拟合时利用了自然边界条件与连续性，即函数边界二阶导数

光纤光栅的布拉格波长热膨胀系数热光系数为零、内部一阶导数连续，保证了重构温度场的平滑。

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≈0.55×10/℃≈8.6×10/℃

温度变化时，布拉格波长的变化可以表示为对于中等规模的数据集，自然插值算法通过Matlab软件来进行计算，实现了分布函数的

B

实时计算，通过该拟合方法可以重建出测量平面的二维温度分布图。

定义光纤光栅的温度灵敏度系数