光纤光栅传感器实验指南

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1、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lB称为Bragg波长，L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2Bragg光纤光栅透射谱和反射谱反射的

2、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Δ

3、h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。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

4、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。）（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。（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（1）将传感单元（小）螺旋测微计向外旋0.250mm，读下此时刻度。（2）重复（3）－（5）步骤6次，测量数据填入

5、下表：次数被测量123456△Eλ（3）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）（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？)1．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！！！