光纤光栅传感器实验指南【DOC精选】.doc

光纤光栅传感器实验指南 【原理简述】 1．光纤光栅结构及传感应用 光纤光栅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,形成折射率周期变化的光栅结构（图1）。 当一束入射光照入光纤时，这种折射率周期变化的光纤光栅，将反射满足（1）式相位匹配条件的入射光波： (1) 式中( B 称为Bragg 波长， (为光栅周期， 为光纤材料的有效折射率。如果光纤光栅的长度为L ,由耦合波方程可以计算出反射率R为： 图2为一个布喇格光纤光栅反射谱和透射谱。其峰值反射率Rm 为: (2) 图2 Bragg光纤光栅透射谱和反射谱 反射的半值全宽度（FWHM）,即反射谱的线宽值为 (3) 当光栅周围的应变ε或者温度T发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率发生变化，从而产生光栅 Bragg 信号的波长位移 △λ，通过监测 Bragg 波长偏移情况，即可获得光栅周围的应变或者温度的变化情况，因而光纤光栅可用以如：压力、形变、位移、电流、电压、振动、速度、加速度、流量、温度等多种物理量的传感和测量。 2．光纤光栅应变传感原理 图3 光纤光栅应变传感头 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： （4） 其中l、h 、d分别表示梁的长度、挠度和中性面至表面的距离。 挠度变化Δh时，应变的变化量Δε及峰值波长的变化量为： （5） （6) Pe是光纤有效光弹系数。 由（5）、（6）式，光纤光栅应变变化量Δε，可由波长的变化量转换计算出来，因此，光纤光栅应变传感的表达式为： （7） 式（7）反映了波长变化与应变变化的函数关系，可由实验方法测出该关系。只要将波长调谐灵敏度测出，（7）式就可以用来测量应变了。 【实验任务】 光纤光栅应变传感实验，通过实验测量出（7）式所表示的应变传感器表达式，绘出传感特征曲线，计算出波长调谐灵敏度。 方法与步骤 按图5连接光路，打开测试单元（大）电源。 图4实验线路图 图5实物连线图 将传感单元（小）螺旋测微计旋至靠里边某一位置，读下此时刻度。（此操作为让传感光栅产生一个应变量，将会有一个与应变相关的波长反射至测试单元。） 将测量单元的螺旋测微计从内向外慢慢旋转，同时观察数显表中电压值的变化。随着螺旋测微计慢慢外旋，电压值会按“小—大—小”变化，如果把这些数值与对应的刻度绘图，会得到一个波形图（如图6）。仔细调节螺旋测微计将电压调至最大的波形峰值点，记录此时螺旋测微计刻度。（此操作为用波长扫描的方法寻找反射光的峰值波长。） 图6电压对应与刻度的波形图 将传感单元（小）螺旋测微计向外旋0.250mm，读下此时刻度。 重复（3）－（5）步骤6次，测量数据填入下表： 次数被测量 1 2 3 4 5 6 △E λ 将代入公式λ=λ0+β* Kλ计算波长，再将和代入公式△E=βε(Kε/(0.78(λ)，计算应变改变量E。（其中β=-0.3767，λ0=1554.4，βε=-0.4） 完成上表6次测量和计算，绘图表示应变变化量△E与波长λ的关系。并求出该函数.(提示：不是线性关系,请思考是什么关系？如何拟合曲线？) 注意事项： 光纤光栅非常脆弱，容易损坏，操作螺旋测微计时动作要轻、慢，防止损坏！！！ 图1 光纤光栅示意图 Bragg光纤光栅 纤芯 入射光 反射光 光纤包层