光纤光栅传感实验学习教案

1、会计学1光纤光栅光纤光栅(gungshn)传感实验传感实验第一页，共20页。 应变(yngbin)是表征工程结构安全的重要指标,人们通常通过检测结构的应变(yngbin)来评估一项工程的健康状况。 光纤光栅传感器以其灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、体积小、易于安装、使用寿命长等特点,在工程结构的安全监测中得到了广泛的应用。第1页/共19页第二页，共20页。v了解光纤光栅传感器测量应变了解光纤光栅传感器测量应变(yngbin)的原的原理理 ； v掌握光纤光谱仪的使用掌握光纤光谱仪的使用 ； v测量等强度梁产生的应变测量等强度梁产生的应变(yngbin)，验证光，验证光纤光栅传感器的波长漂移纤光

2、栅传感器的波长漂移与应变与应变(yngbin)量量成线性关系成线性关系 ； 第2页/共19页第三页，共20页。（1）光纤光栅的光谱）光纤光栅的光谱(gungp)特性特性光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂纤中的光敏性是指激光通过掺杂(chn z)光纤光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。而在纤芯内形成的空间相位光栅，变化的特性。而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或

3、反射镜。射或反射）滤波器或反射镜。第3页/共19页第四页，共20页。光纤光栅光纤光栅( (如图如图1 1所示所示) ) 是是性能性能(xngnng)(xngnng)优良的敏优良的敏感元件感元件, ,它通过栅格反射波它通过栅格反射波长的移动来感应外界物理长的移动来感应外界物理量的微小变化。量的微小变化。 图图1 光纤光栅光纤光栅(gungshn)结构结构 第4页/共19页第五页，共20页。 根据(gnj)光纤耦合模理论，当宽带光在光纤光栅中传输时, 将产生模式耦合, 满足布喇格条件的光被反射:2Beffn（1）其中其中,为光栅周期为光栅周期,neff为有为有效折射率。其余的光将透射效折射率。其余

4、的光将透射(tu sh)过去，如图过去，如图2所示所示。 图2 光纤光栅(gungshn)传感原理第5页/共19页第六页，共20页。（2）光纤光栅）光纤光栅(gungshn)的应变的应变当光栅周围的温度、应变、应力或其他待测物理量当光栅周围的温度、应变、应力或其他待测物理量发生变化时发生变化时,将导致光栅周期将导致光栅周期(zhuq)或纤芯折射率或纤芯折射率发生变化发生变化,从而产生光栅反射波长的漂移从而产生光栅反射波长的漂移,通过监测反通过监测反射波长漂移情况射波长漂移情况,即可获得待测物理量的变化情况。即可获得待测物理量的变化情况。 第6页/共19页第七页，共20页。由应变导致反射波长由应

5、变导致反射波长(bchng)的变化的的变化的关系式为：关系式为：(1)P（2）其中，其中，P为光纤的有效弹光系数，为光纤的有效弹光系数，为应变为应变(yngbin)变化量。通过在等强度梁末端加载砝码变化量。通过在等强度梁末端加载砝码使之产生应变使之产生应变(yngbin)。 第7页/共19页第八页，共20页。（3）等强度梁的应变）等强度梁的应变(yngbin)公式公式利用如下利用如下(rxi)公式：公式：（3）计算计算(j sun)等强度梁产生的应变。其中等强度梁产生的应变。其中h为梁的为梁的厚度，厚度，l为梁的固定端到自由端的长度，为梁的固定端到自由端的长度，X为梁的挠为梁的挠度。如图度。如

6、图3所示。所示。第8页/共19页第九页，共20页。blh图图3 等强度梁几何等强度梁几何(j h)尺寸尺寸第9页/共19页第十页，共20页。光谱仪FBG 传感器恒温箱砝码( f m)等强度(qingd)梁耦合器宽带光源第10页/共19页第十一页，共20页。等强度等强度(qingd)梁试验台梁试验台通过加载砝码通过加载砝码(f m)产生应变产生应变光纤光栅应力传感器光纤光栅应力传感器第11页/共19页第十二页，共20页。宽带宽带(kun di)光源和直流电源光源和直流电源第12页/共19页第十三页，共20页。光纤光谱仪光纤光谱仪第13页/共19页第十四页，共20页。耦合器耦合器法兰盘法兰盘第14

7、页/共19页第十五页，共20页。（1）光纤光栅）光纤光栅(gungshn)的光谱特性的光谱特性光谱仪宽 带 光源光 纤 光栅耦合器图4 光谱测量装置(zhungzh)图通过法兰盘、跳线将光纤光栅传感器、宽带光源、光纤光谱仪按图通过法兰盘、跳线将光纤光栅传感器、宽带光源、光纤光谱仪按图4连接。连接。设定光谱仪波长范围，扫描光纤光栅光谱曲线。设定光谱仪波长范围，扫描光纤光栅光谱曲线。观察并记录峰值波长、带宽。观察并记录峰值波长、带宽。第15页/共19页第十六页，共20页。（2）光纤光栅）光纤光栅(gungshn)的应的应变测试变测试测量等强度强几何参数测量等强度强几何参数h、l；将光纤光栅传感器固

8、定在等强度梁上，记录此时将光纤光栅传感器固定在等强度梁上，记录此时 光纤光栅的中心波长。光纤光栅的中心波长。在梁的末端加载砝码，每次加载的砝码重量为在梁的末端加载砝码，每次加载的砝码重量为 250g。测量并记录每次加载产生的挠度和光纤光。测量并记录每次加载产生的挠度和光纤光 栅反射波长；栅反射波长；计算每次加载光纤光栅的波长漂移，即加载后的计算每次加载光纤光栅的波长漂移，即加载后的 波长与中心波长的差值。利用波长与中心波长的差值。利用(lyng)公式（公式（3）计算）计算每每 次加载产生的应变。然后将数据记录在表次加载产生的应变。然后将数据记录在表1中。中。 第16页/共19页第十七页，共20页。h = l = 光纤光栅中心光纤光栅中心(zhngxn)波长波长 序号序号1 12 23 34 45 56 6挠度挠度X(mm)应变量应变量()反射波长反射波长 (nm)波长漂移波长漂移(nm)(nm)灵敏度灵敏度(nm/(nm/) )第17页/共19页第十八页，共20页。第18页/共19页第十九页，共20页。NoImage内容(nirng)总结会计学。测量等强度梁产生的应变，验证光纤光栅传感器的波长漂移与应变量成线性关系。光纤光栅(如图1所示) 是性能优良的敏感元件,它通过栅格反