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使用光栅测量波长的实验技巧与方法
使用光栅测量波长的实验技巧与方法引言：光栅是一种广泛用于光学实验和测量中的工具，通过光栅的作用可以精确测量光波的波长。
本文将介绍使用光栅测量波长的实验技巧与方法，希望能为读者提供一些有用的指导。
一、实验器材准备在进行光栅测量波长的实验前，我们需要准备以下实验器材：1. 光源：可以使用激光器或者白光源，确保光源的稳定性和亮度。
2. 光栅：选择合适的光栅类型，常见的有光栅片和光栅光谱仪。
3. 光电探测器：用于接收并测量光信号的变化。
4. 适配器和支架：用于固定光源、光栅和光电探测器。
二、实验步骤1. 设定实验装置：将光源、光栅和光电探测器依次安装在适配器和支架上，确保它们之间的位置和方向稳定并能相互对齐。
2. 调整光栅位置：通过调整光栅的位置，使得光源的光束经过光栅后能够发生衍射并尽可能使衍射光束投射到光电探测器上。
3. 记录基准数据：在没有任何外界干扰的情况下，记录下光电探测器接收到的光信号的强度和波长。
4. 引入待测物质：将待测物质置于光源和光栅之间，记录下光电探测器接收到的光信号的强度和波长。
5. 分析数据：通过对基准数据和待测数据的对比，计算出待测物质的波长。
三、实验技巧与注意事项1. 对齐光路：在实验前，确保光源、光栅和光电探测器之间的光路完全对齐，以保证光线的准确进入光栅并投射到光电探测器上。
2. 控制环境条件：在进行实验时，应尽量减少外界干扰，避免光源、光栅或光电探测器受到其他光源的影响。
3. 多次测量取平均值：为了提高实验的准确性，可以进行多次实验测量，并取平均值作为最终结果。
4. 注意光电探测器的灵敏度：根据实际需求，选择合适的光电探测器灵敏度，以确保对光信号的测量能够达到所需的精度。
结论：通过使用光栅测量波长的实验技巧与方法，我们可以准确测量出光信号的波长。
在进行实验时，需要准备好合适的实验器材，并且注意实验步骤和技巧，以确保实验的准确性和可重复性。
在实验过程中，也应注意环境条件的控制和数据的分析，以获得可靠的实验结果。
检测光栅技术要求
检测光栅技术要求
检测光栅、光幕也就是光电安全保护装置（也称光电保护器，安全保护器、冲床保护器、红外线安全保护装置等）.
检测光栅是一种多光轴光电传感器，用于工厂车间等生产现场机械设备运转的危险区域，如冲压机械、剪切设备、自动化装配线、自动化焊接线、机械传送搬运设备、危险区域（有毒、高压、高温等），避免出现卷入设备等与设备相接触的事故，从而确保作业人员的安全。
兴兆业光电保护器通过发射红外线，产生保护光幕，当光幕被遮挡时，装置发出遮光信号，控制具有潜在危险的机械设备停止工作，保护作用人员，避免发生安全事故，也间接保护机械的安全，从而减少事故综合成本，有利于保护公司自身、操作工人及社会，兼顾性和经济性较高。
随着企业安全意识的提高，检测光栅也得到了迅速普及。
检测光栅/光幕用途：
（1）对于滑块能在行程的任意位置制动停止的压力机，可实现全程保护，或与凸轮开关配合，实现30度----180度之间行程的保护。
（2）对于滑块不能在行程的任意位置制动停止的压力机，只能在单次工作时实现上死点保护，即上一行程结束后，下一行程尚未启动，如果光电保护装置处于遮光状态，下一行程无法启动（必须保证足够的安全距离）。
（3）该保护装置应用于冲压、锻压、剪切等机械设备上及工业机械手，注塑机，包装设备，切纸机械，压滤机，自动化设备，焊装流水线等。
（5）也可用于检测和防盗。
光纤光栅传感实验
应变 可以使很多物理量（如，压力、形变、位移、电 流、电压、振动、速度、加速度、流量等等）的函数， 应用光纤光栅可以制造出不同用途的传感头，测量光 栅波长的变化就可以计算出待测物理量的变化，所以 (1)式是光栅传感的基本方程. (1)式是光栅传感的基本方程. 2.光纤光栅传感的基本原理 2.光纤光栅传感的基本原理 （1）光纤光栅受到温度或应变影响时, 光纤光栅峰值 ）光纤光栅受到温度或应变影响时, 波长会发生变化，其相对变化量可以写 成 ∆λ / λ = (α + ξ )∆T + (1 − p )ε ，为了提高光纤光栅温度灵敏 度，在光纤光栅温度传感器中，是将光纤光栅封装在 温度增敏材料的基座上，外部有不锈钢管保护，外面 有加热装置，其测量温度可由（2 有加热装置，其测量温度可由（2）式计算
实验目的
• １．了解光纤光栅基本特性和光纤传感的
基本原理． • ２．了解光纤光栅传感测量的基本方法和 原理． • ３．手工记录数据进行光纤光栅传感的温 度测量实验．
实验原理
1.光纤光栅及其特性 1.光纤光栅及其特性 光纤光栅的基本结构如图1 光纤光栅的基本结构如图1所示。光纤光 栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射 光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的 永久性变化，用紫外激光直接写入法在单 模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其 实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或 反射镜。
SGQSGQ-1 光纤光栅传感实验仪
试单元和光纤光栅传感单元，基本结构如 图2-1，2-2所示
实验内容
光纤光栅温度传感实验 (1)实验前的准备 (1)实验前的准备 将测试单元中宽带光源1的输出接口3 将测试单元中宽带光源1的输出接口3与宽 带光源输入端4用条线连接，将RS232接口 带光源输入端4用条线连接，将RS232接口 与计算机连接，将光纤光栅传感单元中的 光纤光栅温度传感信号输出端14或15与传 光纤光栅温度传感信号输出端14或15与传 感信号输入接口12连接，温度旋钮调至最 感信号输入接口12连接，温度旋钮调至最 小，开启传感单元电源，启动软件。
光纤光栅传感器技术
光纤光栅传感器技术一、前言1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一根光纤光栅。
1989年，美国联合技术研究中心的G.Meltz等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面写入技术，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。
随着光纤光栅制造技术的不断完善，其应用的成果日益增多，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤放大器（EDFA）技术之后的又一重大技术突破。
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光纤时，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，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。
这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。
光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是Bragg光栅（也称为反射或短周期光栅）；二是透射光栅（也称为长周期光栅）。
光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅（chirp光栅）。
目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。
二、光纤光栅传感器的工作原理我们知道，光栅的Bragg波长λ由下式决定：λ=2nΛ （1）式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。
当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。
如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。
实验七、光纤光栅传感的特性测试
布拉格波长为 1550nm，1300nm 时， RB,T 分别为 0.01nm/ °C和0.0087nm/ ° C 。
与压力灵敏度表达式类似，长周期光纤光栅温度灵敏度 R L,T 可表示为
R L,T
=
dλL dT
=
⎜⎛ ⎝
nco
dΛ dT
+ Λ dnco dT
⎟⎞ ⎠
−
⎜⎜⎝⎛
nc(il
)
dΛ dT
4
盘用金属细丝相连，通过滑块另一侧的托盘内加放重物如滚珠来拉动滑块，滑块沿传光轴拉伸光纤 光栅，从而给光栅施加轴向拉力。由光谱分析仪可以看到，FBG 反射的中心波长随着轴向应力增大 而向长波偏移，将应力变化转换为波长的变化，从而达到传感的目的。（附录一中给出几种不同应 力情况下 FBG 中心波长偏移情况）。
实验数据表 1 滚珠数 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
1 λB,N 2 λB,N 3 λB,N
λB,N
ΔλB,N
δλB,N
δλB,N / λB,N
5
2．温度传感 （1）原理
由宽带光源（如 LED）发出的光信号由光环形器的 1 端口进入，由 2 端口输出进入光纤光栅， 经光纤光栅反射的光由 3 端口送入光谱分析仪。因光纤光栅的中心反射波长随温度而异，温度的升 高时，中心波长向长波方向移动，反之亦然，故可通过波长的检测推知温度的变化，实现温度传感 （附录一给出典型的光纤光栅随温度变化的反射情况）。该实验装置较应力传感实验装置多了一个 温度传感头，其结构如图 3 所示。传感头的控温仪是通过调压器改变加热丝电流大小，通过热电偶 检测温度与设定值比较控制加热丝电流通断实现恒温，从而控制传感头内的温度，传感头应具有在 一段时间间隔内阻断与外界热交换的功能，同时应尽可能地使光纤光栅周围迅速达到热平衡。因此 传感头内部是一个绝热性能较好地空腔体。将加热丝、光纤光栅和热电偶包含其内。
光纤光栅光学特性的测量
光纤光栅光学特性的测量一、实验目的和内容1． 了解光纤Bragg 光栅的原理及其主要光学特性。
2． 掌握Digtal lock-in Amplifier 工作原理和使用要领。
3． 掌握测量光纤Bragg 光纤反射光谱及其它光学特性的方法二、实验基本原理1． 光纤布拉格光栅的理论模型光敏光纤布拉格光栅（FBG ,fiber Bragg grating ）的原理是由于光纤芯折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，使的其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性，图1表示了其折射率分布模型。
这只是一个简化图形，实际上光敏折射率改变的分布将由照射光的光强分布所决定。
对于整个光纤曝光区域，可以由下列表达式给出折射率分布较一般的描述：⎪⎩⎪⎨⎧≥≤≤≤+=2321211)],,(1[),,(a r n a r a n a r z r F n z r n ϕϕ式中),,(z r F ϕ为光致折射率变化函数。
具有如下特性：1),,(),,(n z r n z r F ϕϕ∆=)(0),,()0(),(1max max L z z r F L z n n z r F >=<<∆=ϕϕ式中1a 为光纤纤芯半径；2a 为光纤包层半径；相应的1n 为纤芯初始折射率；2n 为包层折射率；),,(z r n ϕ∆为折射率最大变化量。
因为制作光纤光栅是需要去掉包层，所以这里的3n 一般指空气折射率。
之所以式中出现ϕ和r 坐标项，是为了描述折射率分布在横截面上的精细结构。
在式（1）中隐藏了如下两点假设：第一，光纤为理想的阶跃型光纤，并且折射率沿轴向均匀分布；第二，光纤包层为纯石英，由紫外光引起的折射率变化极其微弱，可以忽略不计。
这两点假设有实际意义，因为目前实际由于制作光纤光栅的光栅，多数是采用改进化学汽相沉积法（MCVD ）制成，且使纤芯重掺锗以提高光纤的紫外光敏性，这就使得实际的折射率分布很接近于理想阶跃型，因此采用理想阶跃型光纤模型不会引入于实际情况相差很大的误差。
光纤光栅的检测技术报告
信号检测是传感系统中的关键技术之一，传感解调系统的实质是一个信 息（能量）转换和传递的检测系统，它能准确、迅速地测量出信号幅度的 大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过程，待测信息（动态的或静 态的）不仅要精确地测量其幅值，而且需记录和跟踪其整个变化过程。 从解调的光波信号来看，光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、 相位解调、频率解调、偏振解调和波长解调等。其中，波长解调技术具有 将感测的信息进行波长编码，中心波长处窄带反射，不必对光纤连接器和 耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点，得到了广泛应用。如 图，在传感过程中，光源发出的光波由传输通道经连接器进入传感光栅， 传感光栅在外场（主要是应力和温度）的作用下，对光波进行调制；接着， 带有外场信息的调制光波被传感光栅反射（或透射），由连接器进入接收 通道而被探测器接收解调并输出。由于探测器接收的光谱包含了外场作用 的信息，因而从探测器检测出的光谱分析及相关变化，即可获得外场信息 的细致描述。相比而言，基于反射式的传感解调系统比较容易实现。
光纤光栅激光器 实现传感
• 此外，鉴于线性边缘滤波检测方案中，光电探测器输出的信号电平非常低，信噪比低，会 降低系统的测量分辨率，压缩测量的动态范围，又提出了一种光纤光栅激光传感器，如图 所示。 该传感器由一个980/1550nm的波分复用器和一段1.5m掺铒光纤和光纤光栅构 成一只光纤激光器。掺铒光纤一端抛光渡银，制成全反射镜，与光纤光栅一起构成光纤激 光器的选频谐振腔。由980nm的掺钛蓝宝石激光器作泵浦，光纤激光器的工作波长由光纤 光栅确定。图右下方是掺铒光纤激光器的荧光谱图，激励功率达到阈值功率（约2.7mW） 时，开始出现激光，增至4.9mW时，输出纯激光。轴向应力作用于光纤光栅，相应改变激 光器的输出波长，同时激光器可以输出足够强的光功率。再将激光器的输出光送入线性比 例探测器去解调，即可测量出光纤光栅的波长移动。这一方案提高了测量信噪比，可达到 的应变测量分辨率为5.5μ ε。
光纤光栅测温技术介绍
目录一、概述 (2)1.1电力测温的必要性 (2)1.2电力测温的目标 (3)1.3测温意义 (3)二、光纤光栅传感技术 (4)三、系统组成、特点、功能、规格 (6)3.1、系统特点 (6)3.2、系统功能 (6)3.3、系统组成 (8)3.4、系统规格 (8)3.5、光纤传感系统和传统传感器的比较 (10)3.5.1性能比较 (10)3.5.2功能比较 (10)四、系统应用 (11)4.1、光纤光栅温度在线监测系统在开关柜温度点监测中的应用 (11)4.1.1、光纤光栅传感原理 (11)4.1.2、光纤光栅传感系统组成 (11)4.2、分布式光纤温度传感器（DTS）在电缆测温中的应用 (12)4.2.1分布式光纤传感的原理 (12)4.2.2分布式光纤传感系统的组成 (13)4.2.3系统主要特点 (13)4.3、安装形式 (14)4.6.1电缆层温度检测光纤的敷设 (14)4.6.2电缆中间连接接头的光纤温度检测 (16)4.6.3电缆与高压柜连接的电缆头的光纤测温 (16)4.6.4开关柜中动静触头温度测量安装图 (17)4.6.5与消防系统或电力自动化系统的联动 (18)4.4、系统软件功能 (19)五、几个常遇概念的解释 (24)6.1光纤组成 (24)6.2光纤的技术参数及特性 (24)6.3安装光纤后不会降低电气设备的绝缘水平 (25)6.4温度、电磁场对光纤的绝缘水平基本不产生影响 (25)6.5过电压、凝露、污秽、盐份对光纤的绝缘水平基本不产生影响 (25)6.6分布式光纤感温故障预警系统不会对检修、预试带来任何问题 (25)6.7免维护系统 (26)六、案例效果图 (27)一、概述1.1电力测温的必要性●电力设备安全运行：现代工业中，工业设备运行异常或故障通常表现出温度的异常变化。
发电厂，变电站的低压开关柜是重要的电器设备。
在设备长期运行过程中，开关柜中的动静触点结合处和母线排连接处等部位因氧化、松动等因素造成接触电阻过大而发热，形成一个恶性循环，而这些发热部位就成为了故障事故发生的隐患，一旦发生电器设备安全问题，将造成巨大的经济损失；2001年，上海供电局因高压开关接头过热引起隧道火灾，大面积电缆被烧损，导致市区大面积停电事故，造成损失近千万；2002年7月26日凌晨2时许，由于电压过高，天气潮湿，位于鄂州市古楼街办五里墩村的鄂城变电站开关柜发生爆炸，造成鄂城钢铁厂两座高炉和两座转炉等主要生产车间大面积停电，损失惨重。
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可调谐波长的光纤F a b r y-Perot滤波器检测单个传感光栅的 跟踪模式
（2）声光可调谐滤波器
• 声-光可调谐滤波器（AOTF）是一种由射频（RF）驱动 频率可调谐的固态光滤波器，其中，AOTF的波长调谐范 围可宽至几个毫米，时间响应可小于5kHz，并具有窄的 光谱带宽。该器件可工作于多种模式，如分光计、颤动滤 波器和跟踪滤波器等。若提供覆盖整个工作范围的宽带光 源或光源组，AOTF可应用于大规模光纤Bragg光栅阵列 的波长复用。利用AOTF中不同频率的多射频信号，原理 上可实现多光栅的并行检测。
3.可调谐滤波检测法
• （1）可调谐波长的光纤F a b r y-P e r o t滤波器
• • 可调谐光纤F a b r y-P e r o t滤波器（FFP）已广泛应用
于传感光栅的信号解调，其中，该滤波器可由L o r e n t z 谱线形状的带通响应描述，典型的带宽为0.3nm，工作范 围为几十个纳米，受限于由两平面镜距离所决定的共振之 间的自由光谱区（FSR）。 • 通过压电陶瓷（PZ）精确移动平面镜的间距，可改变F a b r y-P e r o t腔的的腔长，从而实现滤波器的调谐，参见 下图。当前，可调谐FPF的扫描频率可达1kHz。该滤波器 有两种工作形式：可检测单个光栅的跟踪（闭环）模式； 可检测多个光栅的扫描模式。为保证光纤光栅的反射信号 总能被FFP检测，FFP的自由光谱区应大于光纤光栅的工 作谱区。
• 从光纤Bragg光栅返回的光均匀分为两束，一束直接送入探测器
作为参考信号；另一束则通过滤波函数为式（1）的线aussian分布，则接收到的光
强分别为
IS12I0RA(B0)
IR
1 2
I0R
IS IR
A(B
0
)
• 式中 Is——信号光强； • IR——参考光强； • R ——光纤的反射率；
光纤光栅传感解调系统
波长移动检测方案
• 由上述可知，光纤光栅传感器的关键技术是测量其波长的 移动。通常测量光波长都是用光谱分析仪，包括单色仪和 傅立叶变换光谱仪等。它的波长测量范围宽，分辨率高， 能测量出微小的应变量，用于分布式测量也极为简便，但 它体积大，价格昂贵，一般都用于实验室中，不宜实际现 场使用。在实际应用中，还必须利用光纤光栅的优良特性， 研发高灵敏度、光能利用率高、稳定性好、性价比高的新 型传感解调系统取代实验室中的光谱分析仪，以用于工程 结构的现场实测与监控。
• 目前比较典型的主要有以下几种波长移动检测方案：光谱 仪和多波长计检测法，边缘滤波检测法，可调谐滤波检测 法，匹配光栅检测法，波长可调谐光源解调法，CCD分光 仪检测法，非平衡M-Z干涉仪检测法等。
1.光谱仪和多波长计检测法
• 在光纤光栅传感系统中，对波长移位最直接的检测方法是： 利用宽带光源（如发光二极管LED），输入光纤光栅，再 用光谱仪（或多波长计）检测输出光的中心波长移位，如 图2。该法结构简单，具有可携带性、经久耐用且易于使 用和自动测试等特点，常用于实验室。
2.边缘滤波器检测法
• 基于边缘滤波器的线性解调原理如图所示，这种边缘滤波器输出光强 的变化量与波长漂移量成正比，该滤波函数可表示为
•
F()A(0)（1）
• 将从传感光栅反射回的、包含波长移位调制的光信号分成两束，分别
送到两个不平衡的滤波器中，经滤波器后两光强相除，其结果就包含
波长移位的信息
边缘滤波线性解调系统原理
多波长计原理
• 若需要更精确的波长测量，可选用多波长计，其工作原理参见图。 在多波长计中，利用光波的干涉效应将同相位的光信号加强的原 理来对不用的光波进行区分。从光纤来的光信号在通过分束镜后， 一部分由于反射到固定反射镜，然后返回；另一部分透射到可移 动的反射镜，然后返回，这两束同源但不同路径的光束，在重新 汇合时，某些特定波长的光信号将由于同相位而产生干涉、光强 增加，被探测器捕获。对可移动反射镜进行微调，可改变两光束 的光程差，以此来选择对不用光波的扫描。多波长计对波长的测 试非常精确，分辨率可达0.0004nm，能看到系统的噪声平台， 但在功率测量方面不如光谱分析仪。
• A ——线性滤波器的比例系数。
• 由式可见，和直接测量值呈线性关系，由此可求出动态的值。
这种检测方法基于光强检测，适用于动态、静态测量，具有较好 的线性输出，测量范围与探测器的分辨率成正比。该方案的优点 在于采用了较好的补偿措施，能够有效地抑制光源输出功率的起 伏、连接干扰和微弯干扰等不利因素，且系统反应迅速，成本较 低，使用方便，在几个mε测量范围内，该系统具有几十个με的 分辨率。
光纤光栅激光器 实现传感
• 此外，鉴于线性边缘滤波检测方案中，光电探测器 输出的信号电平非常低，信噪比低，会降低系统的 测量分辨率，压缩测量的动态范围，又提出了一种 光纤光栅激光传感器，如图所示。
• 该传感器由一个980/1550nm的波分复用器和一段 1.5m掺铒光纤和光纤光栅构成一只光纤激光器。掺 铒光纤一端抛光渡银，制成全反射镜，与光纤光栅 一起构成光纤激光器的选频谐振腔。由980nm的掺 钛蓝宝石激光器作泵浦，光纤激光器的工作波长由 光纤光栅确定。图右下方是掺铒光纤激光器的荧光 谱图，激励功率达到阈值功率（约2.7mW）时，开 始出现激光，增至4.9mW时，输出纯激光。轴向应 力作用于光纤光栅，相应改变激光器的输出波长， 同时激光器可以输出足够强的光功率。再将激光器 的输出光送入线性比例探测器去解调，即可测量出 光纤光栅的波长移动。这一方案提高了测量信噪比， 可达到的应变测量分辨率为5.5με。
光谱分析仪原理
• 光谱分析仪是检测光波光谱的仪 器，其工作原理如图。在光谱仪 中，通过调节衍射光栅的角度， 使衍射光栅分离出不同的波长， 分离出来的特定光波由反射镜聚 焦到光阑孔/探测器；旋转衍射 光栅可对波长范围进行扫描。使 用光谱仪进行测量，在光功率、 信噪比、信道增益方面能够得到 较为理想的结果，对波长进行测 量，分辨率可达0.001nm，基本 可满足对光栅Bragg波长移位量 的分辨。