光纤传感实验报告

1、光纤传感实验报告1、根底理论1.1光纤光栅温度传感器原理光纤光栅温度传感原理光纤光栅的反射或者透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，而外界温度的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或 透射峰波长的变化，这是光纤光栅温度传感器的根本工作原理。光纤Bragg光栅传感是通过对在光纤部写入的光栅反射或透射Bragg波长光谱的检测实现被测构造的应变和温度的绝对测量。由耦合模理论可知，光纤光栅的Bragg中心波长为式中 A为光栅的周期；neff为纤芯的有效折射率。外界温度对Bragg波长的影响是由热膨胀效应和热光效应引起的。由公式（1）可知,Bragg波长

2、是随和而改变的。当光栅所处的外界环境发生变化时，可能导致光纤光栅本身的温度发生变化。由于光纤材料的热光效应，光栅的折射率会发生变化；由于热胀冷缩效应，光栅的周期也会发生变化，从而引起和的变化，最终导致 Bragg光栅波长的漂移。只考虑温度对Bragg波长的影响，在忽略波导效应的条件下，光纤光栅的温度灵敏度为式中F为折射率温度系数；a为光纤的线性热膨胀系数；p11和p12为光弹常数。由式(2)可知光纤光栅受到应变作用或当周围温度改变时，会使n eff和发生变化，从而引起Bragg波长的移动。通过测量Bragg波长的移动量，即可实现对外部温度或应变量的测量。光纤光栅温度传感器的封装为满足实际应用的

3、要求，在设计光纤光栅温度传感器的封装方法时，要考虑以下因素：(1)封装后的传感器要具备良好的重复性和线性度；(2)必须给光纤光栅提供足够的保护，确保封装构造要有足够的强度；(3)封装构造必须具备良好的稳定性，以满足长期使用的要求。为了能够有效 起到增敏作用一般采用合金、钢、铜、铝等热膨胀系数大的材料对光纤光栅进展封装。1.121蝶形片封装1.1蝶形片封装光纤预拉后两头用环氧树脂固定在蝶形片上，中间光栅工作区悬在槽，测量时将蝶形片固定在待测物体上。1.122套管封装套管分装一类是在套管填充环氧树脂进展温度补偿式分装，另一类是套管封装。1.2钢管腔充满环氧树脂封装1.3管式封装1.123其他封装方

4、式考虑到待测物及增敏敏效果等其他因素，还有其他一些特殊封装方式。2、光纤光栅温度传感器的具体实验2.1实验目的1掌握光纤光栅温度传感器的根底理论知识2验证光纤光栅温度传感器相关理论3丨比照光纤光栅温度传感器在不同封装情况下传感效果4学会各类仪器的造作和使用5丨学会相关数据处理方法2.2实验器材、相关软件温控箱、波长解调仪、两只支光纤光栅传感器一支经过增敏镀膜处理2.2实验过程7 / 112.1实验系统组成构造图1将各类器件按构造图连接好，将Bragg光栅温度传感器放入温控箱，检查温控箱气密性。2丨翻开数据采集软件、解调仪，检查传感器联通情况。3丨翻开温控箱电源进展升温实验，温度从30。至呢0

5、°每次10。递增。4温控箱温度恒定时记录数据采集软件相关数据。记录时间间隔1 1000ms5丨到达80摄氏度后，进展降温实验，温度从 80。至至30 °每次10 °递减。6温控箱温度恒定时记录数据采集软件相关数据。7丨数据处理与分析2.3采集数据一升温温度：C 波长:nm30 C40 C50 C60 C70 C80 C1319.7851320.34121319.88011319.9751320.07451320.191100.09490.18980.28930.40480.55591320.5311321.10241320.63981320.7451320.857

6、1320.97590.10840.21360.32560.44360.570580 C70 C60 C50 C40 C30 C1320.3411320.0741319.8801319.785111320.1951319.9751210.55590.40480.28930.18980.09490二降温温度：C 波长：nm1321.1011320.6391320.531291320.9751320.8571320.7458420.57050.44360.32560.21360.10840FBG升温实验波怏输出值1321.21321.0据分析1320.824实验数1320.6传感器的静态特性是表示传

7、感器在被测输入量的各个值处于稳定状态时的输入一输出关1320.4 -系。衡量传感器静态特性的主要技术指标是£期 1320 2逻241线性1320.0线性度:线性度、灵敏度、迟滞和重复性。的指标。二又称非线性，是表征传感器输出一输入校准曲线与所选定的拟合直线之间吻合程度 缰常用相对误差来表示线性度丄,即502.3两种封装光纤光栅降温波増敏封装304060max .7080栅降温波长输出比照式中,nax为输出平均值与拟合直线间的最大偏差；yFs为理论满量程输出。本次实验采用最小二乘法直线法。22两种封装光纤光栅升温波长输出比照2.4正常封装传感器升温波长2.4正常封装传感器升温波长增量图

8、从图中可以看出，正常封装传感器的灵敏度是S= y/ x 0.01089,线性度q =99.748%15 / 11增嫩传感器升温时波艮増虽6 5ao,用敏件感器输出波民增虽 拟合肖线304050607080-Equabany + f st/Weigtil RKkdLUi Sum OfIMq WegMlng5 44176E>4-x7"Prarson's- r0 9M77一/Ad| R-Squar' /VdlueSlBndard Err-/G1lnrcetSl4p«-O.3M70 011260 01&042.7®33E-4度（匸）2.5增敏

9、封装传感器升温波长变化量图从图中可以看出，增敏封装传感器的灵敏度是S= y/ x 0.01126,线性度e =99.693%降温时正需J装传感器波长变化吐拟合图 .1 正常拊装传需器波K咚化他.拟合直统i-iA-EqujSlnni«pghfHooevu曲 SqulrHiPwKnl fAd= Fl £<|uwao wmVldBSlimdvd &ra chTtWMfflQUJTJSke0D1«5 1134SE-4L1比ihih8070605040306 5 o a4 3 2 1 o.aosa EU5超平翌o a沿滾(P)2.6正常封装传感器降温波长变化量

10、图从图中可以看出，增敏封装传感器的灵敏度是S= y/ x 0.01066,线性度2=98.906%降温时増敏传感器波氏变化忙拟合曲线.6.5.4S.2. 1.0 o.o.a a 0 ao.T +W*hrto Wo-UbfliHmdua &jrr E*Fbwtc* i-fAa-$1i|m£weI f rmown«ffl125£>0 QIIM80增欲传感辭液氏变化& 拟合亢线7060504030iai（L（nc）2.7增敏封装传感器降温波长变化量图从图中可以看出，增敏封装传感器的灵敏度是S= y/ x 0.01134,线性度q =99.852%测量数据处理汇总表升温普通升温增敏灵敏度提高降温普通降温增敏灵敏度提高灵敏度0.010890.011263.398%0.010660.011346.3