實(shí)驗(yàn)--光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)

1、1. 光纖光柵傳感器實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夂驼莆展饫w光柵的基本特性；了解和掌握光纖光柵傳感器的基本結(jié)構(gòu)、基本原理；光纖光柵傳感測(cè)量的基本方法和原理。二、實(shí)驗(yàn)原理光纖光柵是近年來(lái)問(wèn)世的一種特殊形式的光纖芯內(nèi)波導(dǎo)型光柵，它具有極為豐富的頻譜特性，在光纖傳感、光纖通信等高新技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)展示出極為重要的應(yīng)用。特別是在用丁光纖傳感時(shí)，由丁其傳感機(jī)構(gòu)（光柵）在光纖內(nèi)部，且它屆丁波長(zhǎng)編碼類(lèi)型，不同丁普通光纖傳感的強(qiáng)度型，因而具有其他技術(shù)無(wú)法與之相比的一系列優(yōu)異特性，如防爆、抗電干擾、抗輻射、抗腐蝕、耐高溫、壽命長(zhǎng)、可防光強(qiáng)變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響、體積小、重量輕、靈活方便，特別能在惡劣環(huán)境下使用。光纖光柵傳感器可

2、集信息的傳感與信息的傳輸丁一體，它極易促成光纖系統(tǒng)的全光纖化、微型化、集成化以及網(wǎng)絡(luò)化等等，因此光纖光柵傳感技術(shù)一經(jīng)提出，便很快受到宵睞，并作為一門(mén)新興傳感技術(shù)迅猛崛起。1. 光纖光柵及其基本特性光纖光柵的基本結(jié)構(gòu)如圖11所示。它是利用光纖材料的光折變效應(yīng)，用紫外激光向光纖纖芯內(nèi)由側(cè)面寫(xiě)入，形成折射率周期變化的光柵結(jié)構(gòu)，這種光柵纖芯光纖包層布喇格光纖光柵入射光反射光附圖11光纖光柵示意圖稱之為布喇格（Bragg）光纖光柵。這種折射率周期變化的Bragg光纖光柵滿足下面相位匹配條件時(shí)，入射光將被反射：B2neff式中b為Bragg波長(zhǎng)（即光柵的反射波長(zhǎng)），為光柵周期，neff為光纖材料的有效折射

3、率。如果光纖光柵的長(zhǎng)度為L(zhǎng),由耦合波方程可以計(jì)算出反射率R為:*2sinhsL22Z22scoshsL(/2)sinhsLAr0Ai（0）圖12顯示了兩條不同反射率的布喇格光纖光柵反射譜，附圖13為實(shí)際的附圖1-3布喇格光纖光柵透射譜和反一個(gè)布喇格光纖光柵反射譜和透射譜。其峰值反射率Rm為:RmtanhnL2neff反射的半值全寬度（FWHM），即反射譜的線寬值2BB：L2nneff（1）式中，neff,是溫度T和軸向應(yīng)變£的函數(shù)，因此布喇格波長(zhǎng)的相對(duì)變化量可以寫(xiě)成:V/b(a)VT(1Pe)其中a、E分別是光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)，；Pe是有效光彈系數(shù)，大約為0.22。應(yīng)變

4、9;可以是很多物理量（如，壓力、形變、位移、電流、電壓、振動(dòng)、速度、加速度、流量等等）的函數(shù)，應(yīng)用光纖光柵可以制造出不同用途的傳感頭，測(cè)量光柵波長(zhǎng)的變化就可以計(jì)算出待測(cè)物理量的變化，所以（4）式是光柵傳感的基本方程。SGQ-1型光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)儀是我公司設(shè)計(jì)的系歹0實(shí)驗(yàn)設(shè)備之一。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)儀的相關(guān)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解和掌握光纖光柵的基本特性、光纖光柵傳感器的基本結(jié)構(gòu)、光纖光柵傳感的基本原理、光纖光柵傳感測(cè)量的基本方法和原理，同時(shí)使學(xué)生了解光纖光柵和光纖傳感的局限性。光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)儀基本結(jié)構(gòu)光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)儀，它包括光纖光柵傳感測(cè)試單元和光纖光柵傳感單元，其基本結(jié)構(gòu)如附圖21、附圖22。圖2-1光纖

5、光柵傳感測(cè)試單元結(jié)構(gòu)1-ASE寬帶光源21550nm信號(hào)光源輸入接口3一寬帶光源輸出接口4-寬帶光源輸入接口5-光纖耦合器6-波長(zhǎng)懸臂梁調(diào)諧器7-螺旋測(cè)微器8一光強(qiáng)信號(hào)數(shù)字電壓表8-光強(qiáng)信號(hào)接收放大電子線路9- 波長(zhǎng)傳感器信號(hào)接收放大電子線路A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理電子線路11RS232數(shù)據(jù)輸出接口1813TlHHT20回|IIIIIIIrAr-r-2，19但一17|1521附圖2-2光纖光柵傳感單元基本結(jié)構(gòu)12-傳感信號(hào)輸入接口13-光纖光柵溫度傳感器14、15-溫度傳感信號(hào)輸出接口1、216-加熱裝置17-加熱調(diào)節(jié)器18-溫度檢測(cè)裝置19-溫度數(shù)字顯示器20-光纖光柵應(yīng)變傳感器21-應(yīng)變傳感信

6、號(hào)輸出端22-螺旋測(cè)微器光纖光柵傳感測(cè)試單元，它主要包括寬帶光源1摻鉗(Er+)光纖ASE寬帶光源,手動(dòng)光纖光柵波長(zhǎng)懸臂梁調(diào)諧器6、7,光強(qiáng)信號(hào)接收放大電子線路8,A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理電子線路10,光纖光柵波長(zhǎng)傳感器信號(hào)接收放大電子線路9,寬帶光源輸出3用光纖FC接頭跳線連接到機(jī)箱面板上，傳感測(cè)試用寬帶光源輸入端4也連接到機(jī)箱面板上。此測(cè)試單元還有RS232數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)接口，有圖形顯示和數(shù)據(jù)處理軟件，手動(dòng)波長(zhǎng)掃描，手工或計(jì)算機(jī)自動(dòng)兩種數(shù)據(jù)記錄、描繪圖形、數(shù)據(jù)處理方法。由光纖FC接頭跳線將光纖光柵傳感測(cè)試單元接口12與光纖光柵傳感單元接口15或21連接，可進(jìn)行光纖光柵溫度傳感和光纖光柵應(yīng)變傳感或波

7、分復(fù)用傳感實(shí)驗(yàn)；寬帶光源1有寬帶輸出接口3,可獨(dú)立以寬帶光源使用。光纖光柵傳感單元主要由光纖光柵溫度傳感器13和光纖光柵應(yīng)變傳感器20組成，光纖光柵溫度傳感器還有附屆的加熱及加熱調(diào)節(jié)16、17和溫度檢測(cè)裝置、溫度數(shù)字顯示器18、19,顯示其實(shí)際溫度；光纖光柵應(yīng)變傳感器20中光纖光柵粘接到懸臂梁上，光纖光柵應(yīng)變由懸臂梁彎曲形變產(chǎn)生，連接到懸臂梁上的螺旋測(cè)微器22的進(jìn)動(dòng)量給出懸臂梁形變的撓度，進(jìn)而計(jì)算出光纖光柵應(yīng)變。2. 光纖光柵傳感的基本原理和光纖光柵傳感測(cè)量的基本原理光纖光柵受溫度T和應(yīng)變£同時(shí)影響時(shí)，光纖光柵峰值波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化，其相對(duì)變化量可以寫(xiě)成：V/(a)VT(1Pe)(4)其

8、中a分別是光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)，其值a=0.55X10-6,=8.3X10-6,即溫度靈敏度大約是0.0136nm/C,(入為1550nm);Pe是有效光彈系數(shù)，大約為0.22,即應(yīng)變靈敏度為0.001209nm/m。3.1光纖光柵溫度傳感器為了提高光纖光柵溫度靈敏度，在光纖光柵溫度傳感器13中，是將光纖光柵封裝在溫度增敏材料基座上，外部有不銹鋼管保護(hù)，外面有加熱裝置。如附圖3-1。波長(zhǎng)變化量及溫度靈敏度分別為(請(qǐng)自行推算)：/T(a)(1R)(aja)t定義為該溫度傳感器的溫度靈敏度，可由實(shí)驗(yàn)獲得，大約是0.035nm/C。由測(cè)量到的波長(zhǎng)的變化量可計(jì)算出溫度的變化t:tttoT附圖3-

9、1在上面的公式中，a：石英材料（光纖光柵）光纖熱膨脹系數(shù)0.5X10-6/CE:石英材料（光纖光柵）光纖熱光系數(shù)8.3X10-6/CPe：石英材料（光纖光柵）光纖有效光彈系數(shù)，為0.22,可=1Pe,aj:基座熱膨脹系數(shù)3.2光纖光柵應(yīng)變傳感器本實(shí)驗(yàn)儀的光纖光柵應(yīng)變傳感器是一種懸臂梁應(yīng)變調(diào)諧機(jī)構(gòu)。應(yīng)用材料力學(xué)原理可以嚴(yán)格計(jì)算出光纖光柵的應(yīng)變，用丁模擬環(huán)境物理量使光纖光柵產(chǎn)生的應(yīng)變。由光纖光柵的應(yīng)變乂可計(jì)算出傳感光柵的波長(zhǎng)變化。光纖光柵應(yīng)變傳感器20原理圖如附圖3-22D由材料光纖光柵粘接在懸臂梁距固定端根部x位置，螺旋測(cè)微器調(diào)節(jié)撓度，力學(xué)可知，光纖光柵的應(yīng)變?yōu)椋?6)3（lx）dhT3其中l(wèi)、

10、h、d分別表示梁的長(zhǎng)度、撓度和中性面至表面的距離Pe是光纖有效光彈系數(shù)。撓度變化h時(shí)，應(yīng)變的變化量£及峰值波長(zhǎng)的變化量為：(7)(1Pe)(8)(1Pe)h為光纖光柵懸臂梁波長(zhǎng)調(diào)諧靈敏度（單位是nm/mm）,可理論計(jì)算，但主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。作為光纖光柵應(yīng)變傳感器使用時(shí)，應(yīng)變調(diào)諧靈敏度為:h(1Pe)波長(zhǎng)調(diào)諧曲線附圖3-3光纖光柵波長(zhǎng)懸臂梁調(diào)諧曲線光纖光柵波長(zhǎng)懸臂梁調(diào)諧器20中懸臂梁是79x5X1.4mm鋼帶，螺旋測(cè)微器7最大行程為8mm,光纖光柵粘接在根部的5mm處，光纖光柵波長(zhǎng)調(diào)諧靈敏度為0.38nm/mm（實(shí)際測(cè)量為0.3875,對(duì)應(yīng)的應(yīng)變調(diào)諧靈敏度為320&/mm）,

11、最大調(diào)諧量3.8nm;附圖3-3是光纖光柵波長(zhǎng)懸臂梁調(diào)諧曲線。3.3光纖光柵傳感的測(cè)量方法光纖光柵傳感測(cè)量系統(tǒng)如附圖3-4。光纖光柵傳感屆丁波長(zhǎng)編碼類(lèi)型，不同丁普通光纖傳感的強(qiáng)度型，光纖光柵傳感測(cè)量系統(tǒng)核心部分是波長(zhǎng)分析器。附圖3-4光纖光柵傳感測(cè)量系統(tǒng)光纖光柵傳感測(cè)量系統(tǒng)工作過(guò)程及原理是:具有寬帶特性的探測(cè)光源經(jīng)光纖耦合器一個(gè)輸出端、信號(hào)傳輸光纖到光纖光柵傳感頭，再由傳感光柵反射，形成傳感光柵的窄帶反射光譜，再由傳輸光纖傳輸?shù)讲ㄩL(zhǎng)分析器；波長(zhǎng)分析器的功能類(lèi)似光譜儀的分光功能，探測(cè)傳感光柵光譜分布及其光譜變化，光電檢測(cè)是將光柵光譜分布及其光譜變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的變化和數(shù)據(jù)處理，顯示為傳感結(jié)果輸出

12、，數(shù)據(jù)處理和顯示可以由計(jì)算機(jī)完成。光纖光柵傳感的測(cè)量有多種方法，附圖3-5是可調(diào)F-P濾波器法的傳感測(cè)量系統(tǒng)在附圖3-5中，波長(zhǎng)分析器是一種電驅(qū)動(dòng)的可調(diào)光纖F-P濾波器本光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)儀測(cè)量系統(tǒng)原理框圖：如附圖3-6附圖3-6本光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)儀測(cè)量系統(tǒng)原理框圖在本測(cè)量系統(tǒng)中，波長(zhǎng)分析器是一種懸臂梁可調(diào)光纖光柵濾波器，其原理圖與圖3-2光纖光柵應(yīng)變傳感器20相同，由螺旋測(cè)微器改變懸臂梁形變的撓度，改變?yōu)V波器光纖光柵的光譜分布位移。光電探測(cè)是一種寬帶接收系統(tǒng)，光電探測(cè)到的光強(qiáng)值是傳感光纖光柵光強(qiáng)分布曲線與濾波器光纖光柵光強(qiáng)分布曲線的卷積。其濾波器光纖光柵波長(zhǎng)峰值與傳感光纖光柵波長(zhǎng)峰值相同時(shí)，光

13、電信號(hào)達(dá)到極大值，極大值的波長(zhǎng)位置即是傳感光纖光柵波長(zhǎng)位置。下圖是在計(jì)算機(jī)光譜譜圖界面上顯示出的光纖光柵譜圖。光纖光柵峰值位置的確定方法：方法有多種，比如，最大值法，極值微分法,適用丁數(shù)據(jù)穩(wěn)定情況；曲線形心法，即曲線切線交點(diǎn)定為峰值位置，切線是數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，誤差較小，本實(shí)驗(yàn)擬采用此方法。光柵波長(zhǎng)分辨率:2是曲線斜率，V是信號(hào)電壓最小可測(cè)量穩(wěn)定值。從上面圖示顯示出，實(shí)際譜圖曲線斜率為1.176V/nm，信號(hào)電壓最小可測(cè)量穩(wěn)定值V有4mV,所以波長(zhǎng)分辨率是4.7pm，即溫度測(cè)量分辯能力是0.13C,應(yīng)變測(cè)量分辯能力是3.9。1. 三、注意事項(xiàng)光纖跳線不要強(qiáng)拉硬拽，不要使彎曲半徑過(guò)小。2. 光纖跳線

14、接頭安裝時(shí)，要對(duì)準(zhǔn)插入，輕輕旋緊，僅防磨損光學(xué)表面。3. 光纖跳線盡量保持在插入原位，不要頻繁拔下插入。4. 儀器需要10多分鐘的預(yù)熱時(shí)間。實(shí)驗(yàn)前要充分準(zhǔn)備，熟悉實(shí)驗(yàn)步驟，數(shù)據(jù)測(cè)試要熟練緊湊，以免溫度變化造成誤差。5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，螺旋測(cè)微器盡量保持在旋出位置，使懸臂梁處丁無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。6. 測(cè)不到信號(hào)時(shí)，先檢查跳線接頭是否處丁對(duì)準(zhǔn)插入狀態(tài)，檢查接頭表面是否過(guò)臟，檢查傳感波長(zhǎng)位置是否處丁可測(cè)量范圍之內(nèi)。 四、實(shí)驗(yàn)步驟光纖光柵溫度傳感實(shí)驗(yàn)連接（測(cè)試單元圖2-1中寬帶光源1的輸出接口3與寬帶光源輸入端4用跳線連接，將RS232接口與計(jì)算機(jī)連接，將光纖光柵傳感單元中的光纖光柵溫度傳感信號(hào)輸出端14或1

15、5與附圖2-1光纖光柵傳感信號(hào)輸入接口12連接）。溫度調(diào)節(jié)鈕旋至最小，開(kāi)啟電源，溫度顯示為室溫溫度，記錄此時(shí)的溫度to,啟動(dòng)計(jì)算機(jī)傳感測(cè)試軟件。在計(jì)算機(jī)傳感測(cè)試軟件的“模式選擇”菜單下選“溫度”。粗調(diào)確定出有光強(qiáng)信號(hào)輸出的起始位置，再以一定的小進(jìn)給量，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)波長(zhǎng)調(diào)諧螺旋測(cè)微器7到需要的刻度位置即撓度（單方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以消除螺距差，下同），觀察計(jì)算機(jī)傳感測(cè)試軟件上傳感光柵光譜分布曲線，直至光柵譜線全部顯示出，這為一組室溫下光纖光柵光譜分布曲線數(shù)據(jù)。記錄室溫下傳感光柵光譜分布曲線的極大值波長(zhǎng)0,作為此次實(shí)驗(yàn)的參考波長(zhǎng)。 轉(zhuǎn)動(dòng)傳感單元上溫度調(diào)節(jié)電位器，開(kāi)始加熱，5-6分鐘后溫度顯示數(shù)字穩(wěn)定，記錄此時(shí)溫

16、度數(shù)據(jù)To重復(fù)步驟，開(kāi)始這一溫度下的光纖光柵光譜分布曲線數(shù)據(jù)測(cè)試，記錄傳感測(cè)試軟件上極大值波長(zhǎng)的改變量及溫度的改變量t;重復(fù)步驟，記錄多組數(shù)據(jù)。室溫to=?參考波長(zhǎng)0=?Tt由ttot計(jì)算出測(cè)量溫度，繪制測(cè)量溫度值t與傳感器處的實(shí)際溫度值T關(guān)系曲線。光纖光柵應(yīng)變傳感實(shí)驗(yàn)連接（光纖光柵傳感單元中的光纖光柵應(yīng)變傳感信號(hào)輸出端與附圖2-1光纖光柵傳感信號(hào)輸入接口12連接）。 應(yīng)變調(diào)節(jié)鈕旋至零刻度，開(kāi)啟電源（不開(kāi)啟傳感單元電源），啟動(dòng)計(jì)算機(jī)傳感測(cè)試軟件。 在計(jì)算機(jī)傳感測(cè)試軟件的“模式選擇”菜單下選“應(yīng)變”。基本與溫度傳感實(shí)驗(yàn)步驟相同，粗調(diào)確定出有光強(qiáng)信號(hào)輸出的起始位置，再以一定的小進(jìn)給量，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)波長(zhǎng)調(diào)諧螺旋測(cè)微器7到需要的刻度位置即撓度，觀察計(jì)算機(jī)傳感測(cè)試軟件上傳感光柵光譜分布曲線，直至光柵譜線全部顯示出，這為一組“零刻度傳感應(yīng)變”光纖光柵光譜分布曲線數(shù)據(jù)，記錄“零刻度傳感應(yīng)變”極大值波長(zhǎng)。 轉(zhuǎn)動(dòng)傳感調(diào)諧螺旋測(cè)微器一圈0.5mm,重復(fù)步驟開(kāi)始這一應(yīng)變值下的光纖光柵光譜分布曲線數(shù)據(jù)測(cè)試，記錄傳感測(cè)試軟件上傳感應(yīng)變下極大值波長(zhǎng)與“零刻度傳感應(yīng)變”極大值波長(zhǎng)之差及測(cè)量應(yīng)變量；再轉(zhuǎn)動(dòng)傳