实验--光纤光栅传感实验

光纤光栅传感器试验 一、试验目的 1. 了解和驾驭光纤光栅的基本特性； 2. 了解和驾驭光纤光栅传感器的基本结构、基本原理； 3. 光纤光栅传感测量的基本方法和原理。 二、试验原理 光纤光栅是近年来问世的一种特殊形式的光纤芯内波导型光栅，它具有极为丰富的频谱特性，在光纤传感、光纤通信等高新技术领域已经展示出极为重要的应用。特殊是在用于光纤传感时，由于其传感机构（光栅）在光纤内部，且它属于波长编码类型，不同于一般光纤传感的强度型，因而具有其他技术无法与之相比的一系列优异特性，如防爆、抗电干扰、抗辐射、抗腐蚀、耐高温、寿命长、可防光强变更对测量结果的影响、体积小、重量轻、敏捷便利，特殊能在恶劣环境下运用。光纤光栅传感器可集信息的传感与信息的传输于一体，它极易促成光纤系统的全光纤化、微型化、集成化以及网络化等等，因此光纤光栅传感技术一经提出，便很快受到青睐，并作为一门新兴传感技术迅猛崛起。 1. 光纤光栅及其基本特性 附图1－1 光纤光栅示意图 布喇格光纤光栅 纤芯 入射光 反射光 光纤包层 光纤光栅的基本结构如图1－1所示。它是利用光纤材料的光折变效应，用紫外激光向光纤纤芯内由侧面写入,形成折射率周期变更的光栅结构，这种光栅称之为布喇格（Bragg）光纤光栅。 这种折射率周期变更的Bragg光纤光栅满意下面相位匹配条件时，入射光将被反射 1 式中 为Bragg 波长（即光栅的反射波长）， L为光栅周期，为光纤材料的有效折射率。假如光纤光栅的长度为L ,由耦合波方程可以计算出反射率R为 图1－2 显示了两条不同反射率的布喇格光纤光栅反射谱，附图1－3为实际的一个布喇格光纤光栅反射谱和透射谱。 附图1－2 曲线2和5的反射谱 附图1－3 布喇格光纤光栅透射谱和反射谱 其峰值反射率为 2 反射的半值全宽度（FWHM）,即反射谱的线宽值 3 （1）式中，是温度T和轴向应变ε的函数，因此布喇格波长的相对变更量可以写成 4 其中a、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，；Pe是有效光弹系数，大约为0.22。应变ε可以是许多物理量（如，压力、形变、位移、电流、电压、振动、速度、加速度、流量等等）的函数，应用光纤光栅可以制造出不同用途的传感头，测量光栅波长的变更就可以计算出待测物理量的变更，所以（4）式是光栅传感的基本方程。 SGQ-1型光纤光栅传感试验仪是我公司设计的系列试验设备之一。通过本试验仪的相关试验使学生了解和驾驭光纤光栅的基本特性、光纤光栅传感器的基本结构、光纤光栅传感的基本原理、光纤光栅传感测量的基本方法和原理，同时使学生了解光纤光栅和光纤传感的局限性。 2. 光纤光栅传感试验仪基本结构 图2－1 光纤光栅传感测试单元结构 1 5 6 9 5 4 12 10 3 2 8 11 7 8， 光纤光栅传感试验仪，它包括光纤光栅传感测试单元和光纤光栅传感单元，其基本结构如附图2－1、附图2－2。 1－ASE宽带光源 2－1550nm信号光源输入接口 3－宽带光源输出接口 4－宽带光源输入接口 5－光纤耦合器 6－波长悬臂梁调谐器 7－螺旋测微器 8－光强信号数字电压表 8－光强信号接收放大电子线路 9－波长传感器信号接收放大电子线路 21 17 18 15 14 19 13 16 20 22 附图2-2 光纤光栅传感单元基本结构基本基本基本结构 10－A/D转换及数据处理电子线路 11－RS232数据输出接口 12－传感信号输入接口 13- 光纤光栅温度传感器 14、15－温度传感信号输出接口1、2 16－加热装置 17－加热调整器 18- 温度检测装置 19－温度数字显示器 20－光纤光栅应变传感器 21－应变传感信号输出端 22－螺旋测微器 光纤光栅传感测试单元，它主要包括宽带光源1［掺铒（Er）光纤ASE宽带光源］，手动光纤光栅波长悬臂梁调谐器6、7，光强信号接收放大电子线路8，A/D转换及数据处理电子线路10，光纤光栅波长传感器信号接收放大电子线路9，宽带光源输出3用光纤FC接头跳线连接到机箱面板上，传感测试用宽带光源输入端4也连接到机箱面板上。此测试单元还有RS232数据计算机接口，有图形显示和数据处理软件，手动波长扫描，手工或计算机自动两种数据记录、描绘图形、数据处理方法。由光纤FC接头跳线将光纤光栅传感测试单元接口12与光纤光栅传感单元接口15或21连接，可进行光纤光栅温度传感和光纤光栅应变传感或波分复用传感试验；宽带光源1有宽带输出接口3，可独立以宽带光源运用。 光纤光栅传感单元主要由光纤光栅温度传感器13和光纤光栅应变传感器20组成，光纤光栅温度传感器还有附属的加热及加热调整16、17和温度检测装置、温度数字显示器18、19，显示其实际温度；光纤光栅应变传感器20中光纤光栅粘接到悬臂梁上，光纤光栅应变由悬臂梁弯曲形变产生，连接到悬臂梁上的螺旋测微器22的进动量给出悬臂梁形变的挠度，进而计算出光纤光栅应变。 3. 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ε同时影响时，光纤光栅峰值波长会发生变更，其相对变更量可以写成 4 其中a、分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，其值a＝0.5510－6,＝8.310－6，即温度灵敏度大约是0.0136 nm /℃，（λ为1550nm）；Pe是有效光弹系数，大约为0.22，即应变灵敏度为0.001209 nm /。 3.1 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13中，是将光纤光栅封装在温度增敏材料基座上，外部有不锈钢管爱护，外面有加热装置。如附图3－1。波长变更量及温度灵敏度分别为（请自行推算） 5 定义为该温度传感器的温度灵敏度，可由试验获得，大约是＝0.035nm/℃。由测量到的波长的变更量可计算出温度的变更 附图3-1 在上面的公式中， a石英材料（光纤光栅）光纤热膨胀系数0.510－6/℃ ξ石英材料（光纤光栅）光纤热光系数8.310－6/℃ Pe石英材料（光纤光栅）光纤有效光弹系数，为0.22，η＝1－Pe， 基座热膨胀系数 3.2 光纤光栅应变传感器 本试验仪的光纤