光纤光栅传感器实验指南

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 长， 为光栅周期，果光纤光栅的长度为 L ,由耦合波方程可以计算出反射率 s i n h)2/(c o s hs i n h)0(0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 : e an (2) 图 2 纤光栅透射谱和反射谱 图 1 光纤光栅示意图 纤光栅 纤芯 入射光 反射光 光纤包层 反射的半值全宽度（ ,即反射谱的线宽值 为 22 e (3) 当光栅周围的 应变 或者 温度 T 发生变化时，将导致光栅周期 或纤芯折射率而产生光栅 号的波长位移 ， 通过监测 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 旋测微器调节 挠度 。 由材料力学可知，光纤光栅的应变为： 33 ( )l x d （ 4） 其中 l、 h 、 度和中性面至表面的距离 。 挠度变化 变的变化量及峰值波长的变化量为： hl 3 )(3 （ 5） (1 ) （ 6) 纤 有效光弹系数 。 由（ 5）、（ 6）式，光纤光栅应变变化量 ，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 。 1 方法与步骤 （ 1） 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 （ 2） 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 K。 （ 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。 ） （ 3） 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 K。（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 （ 4） 将 传 感单元（小）螺旋测微计向外旋 下此时刻度 K。 （ 5） 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 K E K （ 6） 将 K代 入公 式 = 0+ * 算波长 ，再将 和 K代入 公式 E= )，计算应变 改变量 E。 （其中 = 0= = （ 7） 完成 上表 6 次测量和计算，绘图表示应变变化 量 E 与波长 的关系。 并求出该函数