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。

应变ε可以是很多物理量（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（4）式是光栅传感的基本方程。

SGQ-1型光纤光栅传感实验仪是我公司设计的系列实验设备之一。

通过本实验仪的相关实验使学生了解和掌握光纤光栅的基本特性、光纤光栅传感器的基本附图1－2 曲线κL =2和κL =5的反射谱 附图1－3 布喇格光纤光栅透射结构、光纤光栅传感的基本原理、光纤光栅传感测量的基本方法和原理，同时使学生了解光纤光栅和光纤传感的局限性。

2.光纤光栅传感实验仪基本结构光纤光栅传感实验仪，它包括光纤光栅传感测试单元和光纤光栅传感单元，其基本结构如附图2－1、附图2－2。

图2－1 光纤光栅传感测试单元结构1－ASE宽带光源2－1550nm信号光源输入接口3－宽带光源输出接口4－宽带光源输入接口5－光纤耦合器6－波长悬臂梁调谐器7－螺旋测微器8－光强信号数字电压表8－光强信号接收放大电子线路9－波长传感器信号接收放大电子线路10－A/D转换及数据处理电子线路11－RS232数据输出接口12－传感信号输入接口13- 光纤光栅温度传感器14、15－温度传感信号输出接口1、216－加热装置 17－加热调节器 18- 温度检测装置19－温度数字显示器 20－光纤光栅应变传感器21－应变传感信号输出端 22－螺旋测微器光纤光栅传感测试单元，它主要包括宽带光源1［掺铒（Er+）光纤ASE 宽带光源］，手动光纤光栅波长悬臂梁调谐器6、7，光强信号接收放大电子线路8，A/D 转换及数据处理电子线路10，光纤光栅波长传感器信号接收放大电子线路9，宽带光源输出3用光纤FC 接头跳线连接到机箱面板上，传感测试用宽带光源输入端4也连接到机箱面板上。

此测试单元还有RS232数据计算机接口，有图形显示和数据处理软件，手动波长扫描，手工或计算机自动两种数据记录、描绘图形、数据处理方法。

由光纤FC 接头跳线将光纤光栅传感测试单元接口12与光纤光栅传感单元接口15或21连接，可进行光纤光栅温度传感和光纤光栅应变传感或波分复用传感实验；宽带光源1有宽带输出接口3，可独立以宽带光源使用。

光纤光栅传感单元主要由光纤光栅温度传感器13和光纤光栅应变传感器20组成，光纤光栅温度传感器还有附属的加热及加热调节16、17和温度检测装置、温度数字显示器18、19，显示其实际温度；光纤光栅应变传感器20中光纤光栅粘接到悬臂梁上，光纤光栅应变由悬臂梁弯曲形变产生，连接到悬臂梁上的螺旋测微器22的进动量给出悬臂梁形变的挠度，进而计算出光纤光栅应变。

3. 光纤光栅传感的基本原理和光纤光栅传感测量的基本原理光纤光栅受温度T 和应变ε同时影响时，光纤光栅峰值波长会发生变化，其相对变化量可以写成：/()(1)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，其值a ＝0.55×10－6,ξ＝8.3×10－6，即温度灵敏度大约是0.0136 nm /℃，（λ为1550nm ）；Pe 是有效光弹系数，大约为0.22，即应变灵敏度为0.001209 nm /m μ。

3.1 光纤光栅温度传感器为了提高光纤光栅温度灵敏度，在光纤光栅温度传感器13中，是将光纤光栅封装在温度增敏材料基座上，外部有不锈钢管保护，外面有加热装置。

如附图3－1。

波长变化量及温度灵敏度分别为（请自行推算）：/(()(1)())e j T a P a a λξλ∆∆=++-- (5)/t T λα∆∆=t α定义为该温度传感器的温度灵敏度，可由实验获得，大约是t α＝0.035nm/℃。

由测量到的波长的变化量可计算出温度的变化0t t -：在上面的公式中，a ：石英材料（光纤光栅）光纤热膨胀系数0.5×10－6/℃ξ：石英材料（光纤光栅）光纤热光系数8.3×10－6/℃Pe ：石英材料（光纤光栅）光纤有效光弹系数，为0.22，η＝1－Pe ， j a ：基座热膨胀系数3.2 光纤光栅应变传感器本实验仪的光纤光栅应变传感器是一种悬臂梁应变调谐机构。

应用材料力学原理可以严格计算出光纤光栅的应变，用于模拟环境物理量使光纤光栅产生的应变。

由光纤光栅的应变又可计算出传感光栅的波长变化。

光纤光栅应变传感器20原理图如附图3－2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：33()l x dh l ε-=（6） 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,η＝1－Pe Pe 是光纤有效光弹系数。

挠度变化Δh 时，应变的变化量Δε及峰值波长的变化量为：h l d x l ∆-=∆3)(3ε （7）附图3-2附图3-1Ttt t αλ∆+=0(1)Pe ελλε∆=-∆h Pe h ∆∆-==∆∆εεελβλ)1( （8）εβ为光纤光栅悬臂梁波长调谐灵敏度（单位是nm/mm ），可理论计算，但主要是通过实验获得。

作为光纤光栅应变传感器使用时，应变调谐灵敏度为：εελβε)1(Pe h -=∆∆光纤光栅波长悬臂梁调谐器20中悬臂梁是79×5×1.4mm 钢带,螺旋测微器7最大行程为8mm,光纤光栅粘接在根部的5mm 处， 光纤光栅波长调谐灵敏度为0.38nm/mm （实际测量为0.3875，对应的应变调谐灵敏度为320με/mm ），最大调谐量3.8nm ；附图3－3是光纤光栅波长悬臂梁调谐曲线。

3.3 光纤光栅传感的测量方法光纤光栅传感测量系统如附图3－4。

光纤光栅传感属于波长编码类型，不同于普通光纤传感的强度型，光纤光栅传感测量系统核心部分是波长分析器。

光纤光栅传感测量系统工作过程及原理是：具有宽带特性的探测光源经光纤耦合器一个输出端、信号传输光纤到光纤光栅传感头，再由传感光栅反射，形成附图3-4光纤光栅传感测量系统附图3-3 光纤光栅波长悬臂梁调谐曲线传感光栅的窄带反射光谱，再由传输光纤传输到波长分析器；波长分析器的功能类似光谱仪的分光功能，探测传感光栅光谱分布及其光谱变化，光电检测是将光栅光谱分布及其光谱变化转变成电信号的变化和数据处理，显示为传感结果输出，数据处理和显示可以由计算机完成。

光纤光栅传感的测量有多种方法，附图3－5是可调F-P 滤波器法的传感测量系统在附图3－5中，波长分析器是一种电驱动的可调光纤F-P 滤波器。

本光纤光栅传感实验仪测量系统原理框图: 如附图3－6在本测量系统中，波长分析器是一种悬臂梁可调光纤光栅滤波器，其原理图与图3－2光纤光栅应变传感器20相同，由螺旋测微器改变悬臂梁形变的挠度，改变滤波器光纤光栅的光谱分布位移。

光电探测是一种宽带接收系统，光电探测到的光强值是传感光纤光栅光强分布曲线与滤波器光纤光栅光强分布曲线的卷积。

其滤波器光纤光栅波长峰值与传感光纤光栅波长峰值相同时，光电信号达到极大值，极大值的波长位置即是传感光纤光栅波长位置。

下图是在计算机光谱谱图界面上显示出的光纤光栅谱图。

抖动信混合器附图3-5 可调F-P 滤波器法的传感测量系统附图3-6 本光纤光栅传感实验仪测量系统原理框图光纤光栅峰值位置的确定方法：方法有多种，比如，最大值法，极值微分法，适用于数据稳定情况；曲线形心法，即曲线切线交点定为峰值位置，切线是数据拟合结果，误差较小，本实验拟采用此方法。

光栅波长分辨率：VV δδλλ=∆∆V λ∆∆是曲线斜率，V δ是信号电压最小可测量稳定值。

从上面图示显示出，实际谱图曲线斜率为1.176V/nm, 信号电压最小可测量稳定值V δ有4mV ，所以波长分辨率是4．7pm ，即温度测量分辩能力是0.13℃，应变测量分辩能力是3.9με。

三、注意事项1. 光纤跳线不要强拉硬拽，不要使弯曲半径过小。

2. 光纤跳线接头安装时，要对准插入，轻轻旋紧，仅防磨损光学表面。

3. 光纤跳线尽量保持在插入原位，不要频繁拔下插入。

4. 仪器需要10多分钟的预热时间。

实验前要充分准备，熟悉实验步骤，数据测试要熟练紧凑，以免温度变化造成误差。

5. 实验结束后，螺旋测微器尽量保持在旋出位置，使悬臂梁处于无应力状态。