光纤光栅温度传感实验

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1、第!"卷!第#期物!理!实!验3456!"!/46#!!!!!!!!!!!!!!!$$"年#月!!!%&’()*(+,%+-).+/010)2/!7856!!$$"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""光纤光栅温度传感实验梅加纯!石!永!姜德生"武汉理工大学光纤传感技术研究中心!湖北武汉":$$#$#!!摘!要!为适应高等院校电子$通讯$信息技术等专业实验教学的需要!设计了光纤光栅温度传感实验6通过该实验!学生可以了解光纤光栅传感器的原理及解调的方法6关键词!光纤光栅%温度传感器%解调中图分类号!0%!;!6;"!!!文献标识

2、码!1!!!文章编号!;$$?9"="!"!$$"#$#9$$$=9$:’K3!!前!言&$";#!@AB"()!#式中’是紫外光源波长!(是两相干光束之间的光纤光栅传感器与传统的传感器相比!有以K3夹角!下优点&本质防爆!适用于易燃$易爆等危险物品由于周期性的折射率扰动仅会对很窄的一小检测%对电绝缘!无感应性!适用于高电压以及强段光谱产生影响!因此!如果宽带光波在光栅中传电磁干扰环境下的检测%化学特性稳定!适用于环播时!入射光将会在相应的频率上被反射回来!其保$医药$食品工业检测%传感探头结构简单$尺寸余的透射光谱则不受影响!这样光纤光栅就起到小$重量轻$耐温性好!径细$质地柔软!

3、具有优良了光波选择的作用!对于这类调谐波长反射现象的[可操作性和埋入性%时域变换性好!易于多点的解释!首先由威廉*布拉格爵士提出!因而这种分布测量!并可单线多路复用!构成传感网络和阵光栅被称为布拉格光栅!反射条件称为布拉格条列!便于波分$时分复用及分布式传感6正因为如件!此!光纤光栅传感器成为传统传感器较为理想的替代对象!广泛应用于航空航天$汽车制造$大型"!"!光纤光栅温度传感原理图;为光纤光栅传感原理示意图!建筑$交通$国防等各个领域6因此!学习光纤光栅在布拉格光栅中!反射波长由下式给出传感器的基本原理!具有十分重要的意义6由于光纤光栅传感器自身具有的独特的优点!越来越受’$!

4、2OTT&"!#其中2是光纤芯区有效折射率!只有满足布拉格到人们的重视!美国$日本$加拿大等发达国家都OTT’;(条件的光波才能被布拉格光栅反射!对上式取微投入巨大的人力和物力进行研究6分可得"!光纤光栅及光纤光栅温度传感$解调原理&’$!&2OTT&’!2OTT&&":#从式中可以看出!当外界的应力$温度等参量发生"6!!光纤光栅改变时!将会导致光纤光栅的&或者2的改变!光纤光栅是一种波长选择性反射器件!可以OTT因而检测光纤光栅中心反射波长的变化!可以获通过相位掩模的方法!利用紫外光侧向照射!对光知外界参量的变化!纤纤芯的折射率沿光纤轴向方向进行周期性调制!从而形成光纤光栅6!

5、!当光纤光栅不受应力作用!只是环境温度发’!(生变化时!光纤光栅中心反射波长的变化为光纤光栅纤芯中的折射率调制周期为!收稿日期!!$$"9$!9;;!作者简介!梅加纯";<==>#!男!湖北武汉人!武汉理工大学光纤中心研究生!主要从事光纤通讯与光纤传感技术的研究6万方数据第#期!!!!!!!!!!!梅加纯$等(光纤光栅温度传感实验#图;!光纤光栅传感原理示意图#’"6>!光纤布拉格光栅解调原理$!)’*"#&!""’光纤布拉格光栅的解调有多种方法$比如匹;E?配光纤光栅解调法&:’6匹配光纤光栅检测信号的式中)$#$为光纤的热膨胀系数%*$?E&基本原理如图:所示$其中图:!L"

6、为传感光栅与;E2#$为光纤的热光系数!由此可见$光纤光栅解调光栅的配置$图:!X"为两光栅的反射谱及检2E&测到的信号6选用一个与传感光纤光栅]^;参周围温度的变化可以由光纤光栅布拉格波长的变化来反映$即#’$8;#&!?"式中8为温变系数$#&为温度的改变量$#’为;布拉格波长的改变量!"!#!光纤光栅温度传感结构光纤光栅温度传感结构如图!所示!宽带光源发出的光经耦合器传送到光纤光栅$光纤光栅反射回一个窄带光$窄带光经耦合器传送到解调器$从而可测出反射回来的窄带光的中心波长$即布拉格波长!光纤光栅作为传感探头放在光纤光!L"传感光栅与解调光栅的配置栅温度传感实验仪的温控盒中

7、$温控盒中的温度是可变的$温控盒中温度的变化会导致解调器所检测的布拉格波长发生变化!!X"传感光栅与解调光栅的反射谱及检测到的信号图!!光纤光栅温度传感结构图万方数据图:!光纤光栅解调原理图F!!!!!物理实验!!!!!第!"卷量相近的光纤光栅]^!!匹配光栅"作为检测光表#就可得到被测光栅的中心波长6栅#使!个光栅的反射谱部分重叠#即设置合适的#6"!实验结果偏置6传感光纤光栅的输出信号为检测光纤光栅实验数据见表;6温敏曲线见图?6的输入信号6输出信号