光纤光栅传感实验

#光纤光栅传感实验、实验目的理解光纤光栅的制作原理；掌握光纤光栅传感的原理；学会使用光纤光栅传感仪软件；使用光纤光栅传感仪测量温度变化对输出波长的影响;使用光纤光栅传感仪测量应力变化对输出波长的影响;二、实验原理入射光反射光光纤包层图入射光反射光光纤包层图1光纤光栅示意图光纤光栅传感的基本原理和光纤光栅传感测量的基本原理光纤光栅受温度T和应变£同时影响时，光纤光栅峰值波长会发生变化，其相对变化量可以写成：AXA=(a+g)AT+(1—Pe)£(6)其中a、g分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，其值a=0.55x10-6,g=8.3x10-6，即温度灵敏度大约是0.0136nm/°C,(入为1550nm)；Pe是有效光弹系数，大约为0.22,即应变灵敏度为0.001209nm%£。2.1光纤光栅温度传感器为了提高光纤光栅温度灵敏度，在光纤光栅温度传感器中，是将光纤光栅封装在温度增敏材料基座上，外部有不锈钢管保护，外面有加热装置。如图4。波长变化量及温度灵敏度分别为(请自行推算)：Nk/AT=((a+g)+(1-P)(a.-a))九(7)[AX/JT=at]at定义为该温度传感器的温度灵敏度，可由实验获得，大约是at=0.035nm/C。由测量到的波长的变化量可计算出温度的变化t-t°：2.2光纤光栅应变传感器本实验仪的光纤光栅应变传感器是一种悬臂梁应变调谐机构。应用材料力学原理可以严格计算出光纤光栅的应变，用于模拟环境物理量使光纤光栅产生的应变。由光纤光栅的应变又可计算出传感光栅的波长变化。光纤光栅应变传感器原理图如图5图5光纤光栅应变传感器原理图光纤光栅粘接在悬臂梁距固定端根部x位置，螺旋测微器调节挠度，由材料力学可知,光纤光栅的应变为：_3(1-x)dh£—13其中1、h、d分别表示梁的长度、挠度和中性面至表面的距离，n=1~PePe是光纤有效光弹系数。挠度变化Ah时，应变的变化量A及峰值波长的变化量为:As3(1As3(1—x)d13AX—(1-Pe)九As£A尢AhA尢Ah(1—Pe)As九Ah__&(10)波长调谐曲线波长调谐曲线0£为光纤光栅悬臂梁波长调谐灵敏度(单位是nm/mm)，可理论计算，但主要是通过实验获得。作为光纤光栅应变传感器使用时，应变调谐灵敏度为:(11)As—p(11)Ah—(1—Pe)九£1552.01551.0in1550.0长长1549.01548.01547.00123456789刻度图6光纤光栅波长悬臂梁调谐曲线光纤光栅波长悬臂梁调谐器20中悬臂梁是79x5x1.4mm钢带，螺旋测微器

7最大行程为8mm，光纤光栅粘接在根部的5mm处，光纤光栅波长调谐灵敏度为0.38nm/mm（实际测量为0.3875,对应的应变调谐灵敏度为320Ms/n）最大调谐量3.8nm；附图3—3是光纤光栅波长悬臂梁调谐曲线。2.3光纤光栅传感测量系统工作过程及原理具有宽带特性的探测光源经光纤耦合器一个输出端、信号传输光纤到光纤光栅传感头,再由传感光栅反射，形成传感光栅的窄带反射光谱，再由传输光纤传输到波长分析器；波长分析器的功能类似光谱仪的分光功能，探测传感光栅光谱分布及其光谱变化，光电检测是将光栅光谱分布及其光谱变化转变成电信号的变化和数据处理，显示为传感结果输出，数据处理和显示可以由计算机完成。图7图7光纤光栅传感测量系统光纤光栅传感的测量有多种方法，图8是可调F-P滤波器法的传感测量系统的结构图。图8中，波长分析器是一种电驱动的可调光纤F-P滤波器。隔离器耦合器FBG1FBG2FBGNBBSHill_IIIII11111BBS扫描电压丁t©可调光纤扫描电压丁t©可调光纤FP滤波器输出低通滤波抖动信号混合器图8可调F-P滤波器法的传感测量系统本光纤光栅传感实验仪测量系统原理框图：如图9。

波长分析器是一种悬臂梁可调光纤光栅滤波器，其原理图与图5光纤光栅应变传感器相同，由螺旋测微器改变悬臂梁形变的挠度，改变滤波器光纤光栅的光谱分布位移。光电探测是一种宽带接收系统，光电探测到的光强值是传感光纤光栅光强分布曲线与滤波器光纤光栅光强分布曲线的卷积。其滤波器光纤光栅波长峰值与传感光纤光栅波长峰值相同时，光电信号达到极大值，极大值的波长位置即是传感光纤光栅波长位置。下图是在计算机光谱谱图界面上显示出的光纤光栅谱图。光纤光栅峰值位置的确定方法：方法有多种，比如，最大值法，极值微分法，适用于数据稳定情况；曲线形心法，即曲线切线交点定为峰值位置，切线是数据拟合结果，误差较小，本实验拟采用此方法。光栅波长分辨率:SV光栅波长分辨率:SVAVAVq是曲线斜率，5V是信号电压最小可测量稳定值。从上面图示显示出，实际谱图A九曲线斜率为1.176V/nm,信号电压最小可测量稳定值有4mV，所以波长分辨率是4.7pm,即温度测量分辩能力是0.13°C，应变测量分辩能力是3.9茁。三、实验内容1、光纤光栅温度传感实验2、光纤光栅应变传感实验四、仪器使用注意事项及保养光纤跳线不要强拉硬拽，不要使弯曲半径过小。光纤跳线接头安装时，要对准插入，轻轻旋紧，仅防磨损光学表面，表面不洁时，用透镜纸粘取少量无水乙醇轻轻擦拭表面。光纤跳线尽量保持在插入原位，不要频繁拔下插入。仪器需要10多分钟的预热时间。实验前要充分准备，熟悉实验步骤，数据测试要熟练紧凑，以免温度变化造成误差。实验结束后，螺旋测微器尽量保持在旋出位置，使悬臂梁处于无应力状态。测不到信号时，先检查跳线接头是否处于对准插入状态，检查接头表面是否过脏，检查传感波长位置是否处于可测量范围之内。五、数据记录与处理1、温度根据公式#=心+——（其中爲=18・6€）求得:表1温度表计算温度t/°C18.819.5920.5821.7723.1625.1427.7230.4933.4637.42实际温度T/C20.221.122.523.225.427.229.333.135.839.8测量误差％6.97.28.56.28.87.65.47.96.56.0图1t-T关系图

由表1可以看出实际温度比计算温度高，可能是由于等的时间不够充分，以至于还没达到稳定的温度就开始测量。另外刚开始取的温度差值比较小，由于仪器灵敏度的原因可能会带来误差，以及系统误差。测量时还不能讲初始温度定的太高；并且温度步长不能定的太大，否则会导致逸出而不能继续进行实验。E*腿SSft園1STHMJ阴一如刃S3KiQ购l=b+P*Ki&gAttKAAoC(m)P=-0.34090.DD.00Jo=155L10.DD.000.DD.000.DD.000.DD.00皿=0.02260.DD.000.DD.00庄=比细.?1勵0.DD.00=昨说.E0.DD.00fE=-023720.DD.001549.361549.611549.851590.091550541550.581550.831551.071551321551.561551.81图218.8°C下的图怒光纤光•伎感实靱入c=1550.«Tdf=O.Q22&虾-02372k=1551-1JL=Jo+Jts般X絲AAU：|D.2D0.005D.T90.0180.99H.0221.19D.OZT1.390.03]0.00.000.0D.000.00.000.00.000.0D.00厘=邸俺角鞫图623.16C下的图赵X551.K511C噸飢涨AAdC(■)p=-0.300.200.015k=1551-J0.T9O.OIB0.99nicea脸AMAd1.19nicer1.33manot=0.02261.380.0450.D0.00広=心f(j).t8«te)0.D0.00加=曲他鳶先）0.D0.00血=-0.23720.D0.001549.361549.611549.851550.N1550341550.581550.831551.0T155132155156155!81A21550.MT1590.98图7■-25.14°C下的图1549.361549.611549.861550.091®).^1550.581550.831551.07LSI.2IS1.56I5518J..7卫叩or图1033.46C下的图K光纤光■传感实鑿仪图1137.42°C下的图2、应变根据公式占+(1—P叽根据公式占+(1—P叽Kh(-155°・75°)表2应变表测量应变41.0778.01192.745111.21129.68144.51151.88170.35192.554£/p£431632实际应变E/p£73.65123.52163.34200.43221.23265.31286.34312.66356.83△入/nm0.0500.0940.1120.1350.1570.1750.1840.2060.23330020010050100150£/p£图2£-E图200由表2可以看出测量应变与实际应变存在较大误差,原因可能是观察旋转周时带来的视觉误差，以及仪器误差。应变图ftK：1590.733Id：当瀰A»Jte+|PK(PB)gp=-0.3409DLN0000DLOO0000“=1551.1DLOO0.000DLN0000DLOO00000=00226DLOO0.000UM*)DLOO0000dtsprt/iJJJMs)DLOO00000.000000冀="0.2312「'題1549361549.611549851550.091550341550.581590831551071551321551.561551.81蒯歸一SKAW：1550.60PW):22(M)gIMS.361M9.611549.851550.091550.341550.581550.$31551.071551.321551.561551.81z+p*rP=-0.34