光纤光栅动态应变测试实验
光纤光栅应变传感器实验讲义
实验 光纤布拉格光栅（FBG ）应变实验研究【实验目的】1) 了解光纤光栅传感器基本原理及FBG 应变测量的基本公式。
2) 了解飞机驾驶杆弹性元件的力学特性。
3) 学习光纤光栅应变测量的基本步骤和方法。
【实验原理】1.光纤光栅传感器的基本原理及FBG 应变测量的基本公式光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating, FBG ）用于传感测量技术，主要是通过外界物理量的变化对光纤光栅中心波长的调制来获取传感信息，因此它是一种波长调制型的光纤传感器。
FBG 传感原理如图1所示。
图1中，当一束入射光波进入FBG 时，根据光纤光栅模式耦合理论，当满足满足相位匹配条件时，反射光波即为FBG 的布喇格波长λB ，λB 与有效折射率n eff 和光栅周期Λ的关系为Λ2eff B n =λ （1)由式(1)可以知：n eff 与Λ的改变均会引起光纤光栅波长的改变，而且n eff 与Λ的改变与应变和温度有关。
应变和温度分别通过弹光效应与热光效应影响n eff ，通过长度改变和热膨胀效应影响周期Λ，进而使λB 发生移动。
将耦合波长λB 视为温度T 和应变ε的函数，略去高次项，则由应变和温度波动引起的光纤光栅波长的漂移可表示为Λ∆+∆Λ=∆eff eff B 22n n λ (2)IλλI输入光波反射光波透射光波图1 FBG 传感原理示意图由式(2)可知光纤光栅中心波长漂移量∆λ对轴向应变∆ε和环境温度变化∆T 比较敏感。
通过测量FBG 中心波长的变化，就可测量外界物理量的变化值（如应变、温度等）。
光纤光栅轴向应变测量的一般公式为()ελλe BBz1p -=∆，也是裸光纤光栅轴向应变测量的计算公式。
由上式可知，∆λBz 和ε存在线性关系，因此通过解调装置检测出布拉格波长的偏移量∆λ，就可以确定被测量ε的变化。
2. 飞机驾驶杆弹性元件的力学特性杆力传感器弹性元件采用平行梁形式，其结构如图2所示。
弹性元件由互相交叉90°的两对关联平行梁组成一个测力悬杆，其中一组感受纵向作用力，另一组感受横向作用力，上下部分连为一体，增加了梁的刚度，提高了梁的固有频率并具有良好的散热条件。
大型装备应变检测中光纤Bragg光栅的应用研究
光纤 光栅 检 测技术 是 ２ 纪 ９ ０世 ０年 代初 逐 步发 展起 来 的先进 测 试技 术 … ， 所基 于 的敏 感 元 件 光 它 纤Ｂａｇ 栅 （ ｂｒＢａｇｇａｉｇＦ Ｇ） 近 年来 发 ｒｇ 光 ｉ ｆ ｅ ｒｇ ｒｔ ，Ｂ 是 ｎ 展迅 速 的一种 新 型光 学 无 源 器 件 ， 有 不 受 光 源 功 具
维普资讯
第３ ７卷 第 １ ０期
２０ ０ ７年 １ ０月
激 光 与 红 外
Ｌ Ｓ Ｒ ＆ Ｉ Ｒ Ａ Ｅ ＮＦ ＡＲＥ Ｄ
Ｖ０ ． ７ ． ． ０ １３ Ｎｏ １
Ｏ ｔｂ ｒ２ ０ ｃｏ ｅ ， ０ ７
文章 编号 ：０ １ ０ ８ ２０ ）０ １９ － １０ － ７ （０ ７ １－０ １ ４ ５ ０
１ 引 言
发现并排除安全隐患。应变是大型装备检测最为重
要 的参 数 之一 ， 反映 了工 程结 构 的 固有特征 ， 局 它 对 部 特性 变化 —— 尤 其 是 对 局 部 应 力 、 部 结 构 损 伤 局 比较敏 感 Ｊ 。而 传 统 的 应 变 仪 测 量 在 使 用 中 往 往 受 到 限制 ， 不能 满 足 大 型 装 备 高 精 度 、 距 离 、 布 远 分 式 检测 的技 术 要 求 。相 比较 而 言 ， 纤 光 栅 检 测 技 光
ｉ ｔ ｄ ｃ ｄ Ｉ ｏ ｓｄ ｒｔ ｎ ｏ ｅ ｓｒ ｉ ｅｅ ｔ ｎ ｉ ｒ ｃｉｅ ｏ ａ ｇ ｃ ｅ ｅ ｕｐ ｎ ｓ ｅ ｐ ｔ ｔ ｄ ｏ ｅ ｐ ｎ ｉｌ ｎ ｒ ｕ ｅ ． ｎ ｃ ｎ ｉｅ ａ ｉ ｆｔ ｔａｎ ｄ ｔ ｃｉ ｎ ｐ ａ ｔ ｆｌｒ ｅ ｓ ａ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ， ｘ ａｉ ｅ ｎ ｔ ｒ ｃｐ ｅ ｏ ｏ ｈ ｏ ｃ ｌ ａ ｈ ｉ
光纤光栅传感器在桥梁应变测量中交叉敏感问题的研究
公路工叠与运辅 ・ Ｃ ＭＮＡＯ Ａ Ａ ＩＴＮ Ｓ １ Ｏ ＵＣ ＩＳＴ Ｄ ＤＡＯＩ Ｅ￣４ Ｍ ＩＴＮＳＮ ＲＺ Ｉ Ｕ Ｎ５ Ｓ
耿伟 霞 ，王 天 滑 ．王 亚 民－
（． １西安科 技大学 ，陕西 西安 ７ ０ ５ ；２中交通力 ，陕西 西安 ７ ０ ７ ） １０ ４ ． １０ ５
桥 等。
响．只有满足布喇格条件的光在布喇格光栅处反射
后 会 再 返 回到 原来 的方 向。 由耦 合 模 理论 （ ＭＴ ｍ Ｃ ） 可知 ．光纤 布喇 格光栅 （Ｂ Ｂａｇ Ｆ Ｇ） ｒｇ波长 为 ： Ａ ＝ ２ 式 中 ：Ａ 厂 布 喇格波 长 ； —— 光 栅周 期 ： — — 光纤 模 式 的有效 折射 率 。
ＧＥ ＮＧ Ｗ ｅ— ｉ Ｗ ＡＮＧ Ｔ ａ — ｕ Ｗ ＡＮＧ Ｙ — ｉ ｉｘａ ， ｉｎ ｈ ａ ． ａｒｎ ａ
（ ． ｉ ｎ Ｓ ｉ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｕ ｉ ｒ ｔ ，Ｘ ｎ ７ ０ ５ １ ｃ ｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｎｖ ｓ ｙ ｉ １ ０ ４，Ｃ ｉａ ． ｏ ｇ ｌ Ｓ ｉｎ ｅ Ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｅ ｅ ｐ ｅ ｔ ｒｕ ｆ Ｘ ａ ｅ ｇ ｅｉ ａ ｈｎ ；２ Ｔ ｎ —ｉ ｃ ｃ ｎ ｅ ｈ ｉ Ｄ ｖ ｌ ｍ ｎ ｏ ｐ ｏ ｅ ｃ ｏ Ｇ Ｃ ｉａ ｉ ｎ ７ ０ ７ ，Ｃ ｉａ ｈｎ ，Ｘ １ ０ ５ ｈｎ ） ａ
以其监测精度高、重复性好和长期稳定等优势 ．为
桥 梁结构 监测 提供 了 良好 的技术 手段 。 自１９ 年加 ９３ 拿 大多伦 多大学 的研究 者率 先在 卡尔 加里 的 贝丁顿 特 雷 尔 桥 上 布 置 光 纤 传 感 器进 行 桥 梁 监 测 至 今圆 ， 光纤 光栅传 感技术 已广泛 应用 于桥 梁等 重大 土木 工 程 的监测 中。 目前 国 内也 已开始在 桥 梁监测 中应 用 光纤 光栅 传感技 术 ，如海 口世纪大 桥 、巴东 长 江大
光纤光栅应变传感的综合性实验设计
ｚ ５０ｍｉ 一 ８ Ｔ ｔ
６ ７ ． ８ Ｏ １５ ９ ７ ５ ． ２
光纤光栅 中心波 长
１ Ｏ １ ９ １ １５ ９ ７ ２ ５ ． ４ １． ３ ５ １Ｏ ６ ．５ １５ ９ ７ ４ ５． ８ １ ． ６ ５ １ ６ ２ ９ ． １５ ９ ８ ５ ５ ． ３
第２ ５卷
第 ３期
大
学
物
理
实
验
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ３ １２ ．
２１ ０ ２年 ６ 月
ＰＨＹＳ Ｃ Ｉ ＡＬ Ｐ ＥＸ ＥＲＩ ＭＥＮＴ ０Ｆ ＣＯＬＬＥ ＧＥ
Ｊ ｎ ２ １ ｕ．０２
文 章 编 号 ：０ ７２ ３ （ ０ ２０ —０００ １０ —９４ ２ １ ） ３０ ８ —２
光 纤光栅 应 变传 感 的综 合 性 实验 设 计 ＊
龚华平 ， 丛 ， 于梦 ， 曹 屠 董新永
（ 国计 量 学 院 ， 江 杭 州 中 浙 ３０１） １ ０ ８
摘 关 键
要： 利用光纤布拉格光栅 反射 波长对外界应变敏感 的特性 ， 测量等强度悬 臂梁产生 的应变 ， 并 词： 光纤布拉格 光栅 ； 应变传感器 ； 悬臂梁
００ ． ６１
０１４ ． ０ ｌ１Ｐ３ ＿１
０１６ ． ３
０ ７ ．１ ８
０２９ ． ２ ｉ
由此 产 生 的应 变 误差 为 １ ８ ； ． ￡ 挠度 测 量 产生 的
４ 实 验 结 果
文章 采用 光纤 光栅 对等 强度 梁产 生 的应变 进 行 测试 研 究 ， 到 的实 验结果 如 下表 １ 示 。 得 所
误 差 约 为 ０ ２ｍｍ， ． 由此 导 致 的灵 敏 度 误 差 为 ０ ０ ｍ／ ￡气流气 压 挠 动 导致 的波 长 漂 移 误 差 ．２ｐ ； （ 与前 两项 导致 的误差 可 以忽 略不计 ） 。综合 以上 因素 ， 实验误 差 的影 响很小 ， 本对 测量 结果没 有 基 影响。
基于光纤Bragg光栅的动态应变信号的解调研究
Ｏ ｅ ｉ ｂｓｄ ｏ ｎ ａ ｎｅ ｃ—ｅ ｎｅ （ Ｚ）ｉｅｆ ｏ ｔｒａｄ ｐ ａｅ ｔ ｃ ｉ ｃ ｃｒ ｎ ｈ ｍ ｄｎ ｎ ｓ ａｅ ｎ ｕｂ ｌ ｃｄ ＭａｈＺ ｈ ｄｒ Ｍ・ ｎ ｒ ｒｍｅ ｎ ｈｓ ｒ ｋ ｄ ｅｔ ｕｒ ｔ ｏ ｏｙｅ ａ ｔ ｅ ｅ ａ ｒ ｅ ｔｃｎｑｅ Ｐ Ｄ ） Ｔ ｅｏｈｒ ｓｂｓｄｏ ｎ ａ ｎｅ Ｚ ｉ ｅ ｅ ｍ ｔ ｎ ｈｓ ｇｎｒｔ ａｒ ｒｈｍ ｄｎ ｅｈ ｉｕ （ Ｔ Ｃ ． ｈ ｔｅ ａｅ ｎｕｂ ｌ ｃｄＭ— ｎ ｒ ｒ ｅｅ ａｄｐ ａｅ ｅｅａ ｄｃｒｅ ｏ ｏｙｅ ｉ ａ ｔｆｏ ｒ ｅ ｉ ｔｃｎｑｅ Ｐ Ｃ） Ｔ ｅｖｂａ ｏ ｘｅ ｍ ｎ ｓｓ ｍ ｉ ｓ ｐ ａ ｄ ｔ ｗ ｉ ｓｏ ｄｍ ｄ ｌｉｎ ｓｓ ｍ ａ ｅｈ ｉｕ （ Ｇ ． ｈ ｉｒｔ ｎ ｅｐｒ ｅｔ ｙｔ ｓ ｅ ｕ ｎ ｈ ｔｏｋｎ ｆ ｅ ｏｕａ ｏ ｙｔ ｒ ｉ ｉ ｅ ｔ ｅ ｄ ｔ ｅ ｅ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｅ ｏ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｙ ａ ｉ ｔ ａ ｎｓ ｓ ａ ｃ ｎ ｄ ｍ ｄ ｌ ｔｏ ｆｄ ｎ ｍ ｃ ｓｒ ｉ
ｂ ｓｄ ｏ ａ ｅ ｎ ＦＢＧ
Ｗ ＡＮＧ ｅ ，ＨＵＡＮＧ ｎ－ ｕ Ｗ ｉ Ｙｉ ｇ ｏ，ＦＵ — ｕ Ｌｕ ｈ ａ
３ ０
传感器 与微 系统 （ ｒｎｄｃｒ ｎ ｃｏｙｔ ￣ｈ ｏ ｇ ｓ Ｔａｓｕｅ ｄＭｉ ｓｓ ｍ Ｔｃ ｎｌ ｉ ） ａ ｒ ｅ ｏｅ
２０ ０ ８年 第 ２ ７卷 第 ｌ ２期
基 于光 纤 Ｂ ａ ｇ光栅 的 动态 应 变 信 号 的解 调 研 究 ｒｇ
王 为， 黄银 国，付鲁 华
ｇ ｅ ｎ ｅｅｐｒ ｎａ ｒｓｌ ｈｗｔａ ｔｅｔｅｓ ｎｌｏｎｉ ａ ｏ Ｓ Ｒ）ｓａｏｔ ０ Ｂａｄｔｅｍ ｎｍ ｍ ｉ ｎａｄｔ ｘｅ ｍｅｔ ｕｔｓｏ ｔｈ ｉ ａ ｔ ｏｓ ｒｔ （ Ｎ ｉ ｂｕ ｎ ｉｉ ｕ ｖ ｈ ｉ ｌｅ ｓ ｈ ｈ ｇ ｅ ｉ ８ｄ ｈ
光纤光栅应变传感器二维应变测量方法
光纤光栅应变传感器二维应变测量方法作者：李金娟来源：《无线互联科技》2015年第02期摘要：文章介绍了光纤光栅二维应力传感测量的试验台的准备、光纤光栅的制备、光纤光栅的粘贴、实验仪器、实验过程、光纤光栅测量应变与电阻应变片的测量结果作对比。
实验结果说明利用光纤光栅应变花可以得出与电阻应变花一致的结果。
关键词：光纤光栅；电阻应变片；应变；直角应变花光纤光栅应变花进行二维平面应力测量是通过三个光纤光栅的中心波长的变化来测定应变的，电阻应变片应变花测出的应变值对光纤光栅中心波长进行标定。
所以粘贴时尽可能保证光纤光栅与对应的电阻应变片的测量方位一致。
1 实验台的准备由于本实验需要用多个光纤光栅进行二维应力测量，所以不能使用一般的等强度梁，而是用一个十字架形结构，实际上也是一种等强度梁，不过这种装置有两个等强度梁，分别作为十字架的X轴向和Y轴向，用来施加压力，如图1所示。
这是实验的被测表面的俯视图，表面是由我们用一块马口铁皮做成的。
实验时在X轴、Y 轴方向分别悬挂砝码盘。
砝码的重力通过试验台的等悬梁臂结构拉伸X或者Y方向的铁皮，铁皮的应力的变化引起光纤光栅中心波长的变化，因此为了保证试验的效果，光纤光栅的粘贴必须使光栅光纤紧贴被测表面时同时发生应变。
2 光纤光栅的制备实验台准备好后重要的是制备光纤光栅，本实验使用3只不同中心波长的光纤光栅，串联成直角应变花来测试动态应力的变化，因而需制备3只不同波长的光纤光栅。
由于实验条件的限制，试验室中只有两块相位掩模板，在实验室中只能制备两只光纤光栅，另外一只光纤光栅是已经制备好的光纤光栅。
三只光纤光栅的波长位置分别在：1532nm，1544nm，1548nm处附近。
根据实验条件，组建一个光纤光栅制作系统，制作方法采用目前最有效，也是最流行的相位掩模法，其实验系统如图2所示。
本实验用光纤，是载氢掺锗光敏光纤-普通光纤经过载氢处理（在室温下，压强为107Pa 的容器中，载氢两周左右），使得普通通信光纤的光敏性大大增加，达到写制光栅的要求。
实验--光纤光栅传感实验
光纤光栅传感器实验一、实验目的1. 了解和掌握光纤光栅的基本特性；2. 了解和掌握光纤光栅传感器的基本结构、基本原理；3. 光纤光栅传感测量的基本方法和原理。
二、实验原理光纤光栅是近年来问世的一种特殊形式的光纤芯内波导型光栅，它具有极为丰富的频谱特性，在光纤传感、光纤通信等高新技术领域已经展示出极为重要的应用。
特别是在用于光纤传感时，由于其传感机构（光栅）在光纤内部，且它属于波长编码类型，不同于普通光纤传感的强度型，因而具有其他技术无法与之相比的一系列优异特性，如防爆、抗电干扰、抗辐射、抗腐蚀、耐高温、寿命长、可防光强变化对测量结果的影响、体积小、重量轻、灵活方便，特别能在恶劣环境下使用。
光纤光栅传感器可集信息的传感与信息的传输于一体，它极易促成光纤系统的全光纤化、微型化、集成化以及网络化等等，因此光纤光栅传感技术一经提出，便很快受到青睐，并作为一门新兴传感技术迅猛崛起。
1. 光纤光栅及其基本特性光纤光栅的基本结构如图1－1所示。
它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，这种光栅称之为布喇格（Bragg ）光纤光栅。
这种折射率周期变化的Bragg 光纤光栅满足下面相位匹配条件时，入射光将被反射：Λ=eff B n 2λ (1)式中B λ 为Bragg 波长（即光栅的反射波长），为光栅周期，eff n 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： 附图1－1 光纤光栅示意图布喇格光纤光栅 纤芯入射光反射光光纤包层()R A A sL s sL sLr i ==+002222222()sinh cosh (/)sinh *κκβ∆图1－2 显示了两条不同反射率的布喇格光纤光栅反射谱，附图1－3为实际的一个布喇格光纤光栅反射谱和透射谱。
其峰值反射率m R 为:⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡Λ∆=eff m n nL R 2tanh 2π (2) 反射的半值全宽度（FWHM ）,即反射谱的线宽值22⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎭⎫ ⎝⎛Λ=∆eff B B n n L λλ (3) （1）式中，,eff n Λ是温度T 和轴向应变ε的函数，因此布喇格波长的相对变化量可以写成：/()(1)B a T Pe λλξε=++- (4)其中a 、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，；Pe 是有效光弹系数，大约为0.22。
保偏光纤光栅应变传感器的研究
保偏光纤光栅应变传感器的研究孙宇丹【摘要】针对光纤布拉格光栅(FBG)温度和应变的交叉敏感问题,设计了一种带熔点保偏光纤光栅(PMFBG)结构.该结构通过将2段保偏光纤带加大推进量熔接,形成中间凸起结构,然后在熔点位置写入光栅.文中首先采用熊猫保偏光纤设计制作了该结构,并搭建实验装置测试其在(0～2)N轴向应力作用下的反射光谱,发现PMFBG 快轴和慢轴的反射谱均分裂成2个峰值,随着轴向应力的增加,反射谱整体产生红移,同时分裂的2个峰值强度的比值单调减小,且不受温度的影响.随后,采用有限元法分析了该结构的轴向应变分布,并基于传输矩阵法仿真分析了该PMFBG反射光谱随应力的变化特性,仿真与实验结果的一致性较好.证实可利用PMFBG反射光谱的峰值之比消除轴向应变与温度的交叉敏感性,实现轴向应变的测量.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2018(039)006【总页数】5页(P942-946)【关键词】保偏光纤光栅;应变传感器;熔点;温度不敏感【作者】孙宇丹【作者单位】大庆师范学院机电工程学院,黑龙江大庆163712【正文语种】中文【中图分类】TN253;O439引言光纤光栅(FBG)作为一种重要的传感器件具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点，并且能够实现准分布式测量，已经广泛应用于桥梁、大坝等建筑物的健康监测[1-3]。
然而，在实际应用过程中往往需要克服温度与应变的交叉敏感问题[4-5]，为此研究人员提出很多解决方法，如采用双FBG法[6]，FBG和长周期光纤光栅结合法[7]，以及特殊结构光纤光栅法[8-10]。
保偏光纤作为一种特种光纤已经得到广泛应用，当在保偏光纤上写入光栅时，其反射谱包含2个布拉格共振峰。
并且，这2个Bragg反射波长对温度和应变的敏感系数不同，可直接解决普通FBG的温度与应变交叉敏感问题。
然而，慢轴和快轴布拉格反射波长的相对漂移量随温度和应变的变化差别较小，导致同时测量温度和应变时灵敏度较低[11]。
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实验二 光纤光栅动态应变测试实验
一、实验目的
当简支梁受外载荷情况下，学会用光纤光栅传感器测量其表面某点的应变，加深对光纤光栅动态应变测试的理解。
在实验过程中采集数据，分析并处理数据，并做时域分析。
二、实验设备
WS-ZHT2型振动综合教学实验台
光纤光栅解调仪
光纤光栅焊接机
光纤布拉格光栅（FBG ）
三、实验原理
在材料力学中，由梁弯曲变形的基本公式得：
z
y =I M σ （1） 矩形截面，惯性矩
3z b h I =12
（2） 由胡克定律可知：
=E σε （3）
注：45号钢弹性模量E=209Gpa
应力应变引起光栅布拉格波长漂移可以由下式给予描述：
()Δεk ΔεPe 1λεΔλεB B =-= （4）
式中，Pe 为光纤的弹光系数，εk 为应变ε引起的波长变化的灵敏度系数。
对于带有中心反射波长B λ， 的典型的石英光纤，轴向应变ε和波长漂移B Δλ有如下关系：
B Δλ/B λ=0.78ε （5）
说明：1nm=103
pm 1pm ≈1με
四、实验内容与步骤
1 测量出简支梁的长宽高以及所测点在的位置，根据公式（1）、（2）、（3），给出在激励F 作用下所测点对应的应变该变量ε，即F 与ε的关系。
2 在静载荷下采集波长，求得波长的平均值0λ
3 在同一频率下分别施加F1、F2、F3，分别采集所对应的波长13λλλ、2、，求出波长变化量13λλλ∆∆∆、2、（0=-λλλ∆）
，然后分别代入（5）式中计算得应变13εεε、2、 3 每一实验小组分别选三个频率，分别在每个频率下施加F1、F2、F3，通过采样、计算后得到应变13εεε、2、。
4 绘出时域上的应变图，进行频谱分析，观察频谱图中频率大小是否与实验中所给频率大小相同，分析时域图中应变变化与力的变化的关系，从而判断实验与理论是否吻合。
五、实验报告要求
1 从理论上推导外载荷F 与应变ε之间的关系
2 先在静态下求出波长平均值0λ，通过加外载荷实验得到的波长λ，算出变化量λ∆，再转化成应变ε，用EXCEL 或MATLAB 绘制时域图，并分析图形走势
3 频谱分析，试着从频谱上观察振动频率，振动幅值。
六、思考题
比较一下理论与实际应变的差异，思考一下产生这些差异的因素有哪些。