光纤光栅传感实验

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1、光纤光栅传感实验实验目的实验原理实验器材实验内容与步骤思考练习实验的意义1978年加拿大通信研究中心的K.O.Hill等人首次利用驻波法在掺锗光纤中研究出世界上第一个永久性的可实现反向模式间耦合的光纤光栅-光纤布拉格光栅以来，对光纤光栅的研究与应用得到很大的发展。应变是表征工程结构安全的重要指标,人们通常通过检测结构的应变来评估一项工程的健康状况。光纤光栅传感器以其灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、体积小、易于安装、使用寿命长等特点,在工程结构的安全监测中得到了广泛的应用。1.实验目的了解光纤光栅

2、传感器测量应变的原理；掌握光纤光谱仪的使用；测量等强度梁产生的应变，验证光纤光栅传感器的波长漂移Δλ与应变量Δε成线性关系；2.实验原理（1）光纤光栅的光谱特性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。光纤光栅(如图1所示)是性能优良的敏感元件,它通过栅格反射波长的移动来感应外界物理量的微小变化。图1光纤光栅结构根据

3、光纤耦合模理论，当宽带光在光纤光栅中传输时,将产生模式耦合,满足布喇格条件的光被反射:（1）其中,Λ为光栅周期,neff为有效折射率。其余的光将透射过去，如图2所示。图2光纤光栅传感原理（2）光纤光栅的应变当光栅周围的温度、应变、应力或其他待测物理量发生变化时,将导致光栅周期或纤芯折射率发生变化,从而产生光栅反射波长的漂移,通过监测反射波长漂移情况,即可获得待测物理量的变化情况。由应变导致反射波长的变化的关系式为：（2）其中，P为光纤的有效弹光系数，Δε为应变变化量。通过在等强度梁末端加载砝码使之

4、产生应变。（3）等强度梁的应变公式利用如下公式：（3）计算等强度梁产生的应变。其中h为梁的厚度，l为梁的固定端到自由端的长度，X为梁的挠度。如图3所示。blh图3等强度梁几何尺寸实验测试装置图光谱仪FBG传感器恒温箱砝码等强度梁耦合器宽带光源3.仪器介绍等强度梁试验台通过加载砝码产生应变光纤光栅应力传感器宽带光源和直流电源光纤光谱仪耦合器法兰盘4.实验内容与步骤（1）光纤光栅的光谱特性光谱仪宽带光源光纤光栅耦合器图4光谱测量装置图①通过法兰盘、跳线将光纤光栅传感器、宽带光源、光纤光谱仪按图4连接。

5、②设定光谱仪波长范围，扫描光纤光栅光谱曲线。③观察并记录峰值波长、带宽。（2）光纤光栅的应变测试①测量等强度强几何参数h、l；②将光纤光栅传感器固定在等强度梁上，记录此时光纤光栅的中心波长。③在梁的末端加载砝码，每次加载的砝码重量为250g。测量并记录每次加载产生的挠度和光纤光栅反射波长；④计算每次加载光纤光栅的波长漂移，即加载后的波长与中心波长的差值。利用公式（3）计算每次加载产生的应变。然后将数据记录在表1中。实验数据记录表h=l=光纤光栅中心波长序号123456挠度X(mm)应变量Δε(με

6、)反射波长(nm)波长漂移(nm)灵敏度(nm/με)5.思考练习1不受应力时为什么光纤光栅的反射波长每次测量会略微变化，受哪些因素影响？2影响波长漂移Δλ与应变量Δε线性度的实验误差有哪些？