光电检测与显示实验二 光纤光栅传感实验.docVIP

实验二 光纤光栅传感实验 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。 光纤光栅及其传感应用技术中涵概了众多光学基础理论和光通信及光传感理论，也涉及到众多先进的传感技术，无疑这一领域将成为大学教育中培养学生掌握现代科学技术的重要内容。 二、实验原理 1、光纤光栅的基本结构如图1所示。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： 1） 式中( B 为Bragg 波长（即光栅的反射波长）， (为光栅周期，为光纤材料的有效折射率。如果光纤光栅的长度为L ，由耦合模方程可以计算出反射率R为： 图2 显示了两条不同反射率的布喇格光纤光栅反射谱，图3为实际的一个布格光纤光栅反射谱和透射谱。 其峰值反射率Rm 为: 反射的半值全宽度（FWHM），即反射谱的线宽值 （1）式中，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： Δλ/λB =(α+ξ)ΔT+（1－Pe）ε 其中α、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（）式是光栅传感的基本方程。 2、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： Δλ/λ=(α+ξ)ΔT+（1－Pe）ε 其中α、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，其值α＝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 /με。 2.1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。如图。波长变化量及温度灵敏度分别为（请自行推算）： Δλ/ΔT =（(α+ξ) +（1－P）（αj－α））λ [Δλ/ΔT =αt]αt定义为该温度传感器的温度灵敏度，可由实验获得，大约是αt＝0.035nm/℃。由测量到的波长的变化量可计算出温度的变化t-t0： 在上面的公式中， α：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 αj：基座热膨胀系数 2.2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原理图如图 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： （） 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