光纖光柵傳感實驗

#光纖光柵傳感實驗、實驗目的理解光纖光柵的制作原理；掌握光纖光柵傳感的原理；學會使用光纖光柵傳感儀軟件；使用光纖光柵傳感儀測量溫度變化對輸出波長的影響;使用光纖光柵傳感儀測量應力變化對輸出波長的影響;二、實驗原理入射光反射光光纖包層圖入射光反射光光纖包層圖1光纖光柵示意圖光纖光柵傳感的基本原理和光纖光柵傳感測量的基本原理光纖光柵受溫度T和應變￡同時影響時，光纖光柵峰值波長會發(fā)生變化，其相對變化量可以寫成：AXA=(a+g)AT+(1—Pe)￡(6)其中a、g分別是光纖的熱膨脹系數和熱光系數，其值a=0.55x10-6,g=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，大約為0.22,即應變靈敏度為0.001209nm%￡。2.1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，外面有加熱裝置。如圖4。波長變化量及溫度靈敏度分別為(請自行推算)：Nk/AT=((a+g)+(1-P)(a.-a))九(7)[AX/JT=at]at定義為該溫度傳感器的溫度靈敏度，可由實驗獲得，大約是at=0.035nm/C。由測量到的波長的變化量可計算出溫度的變化t-t°：2.2光纖光柵應變傳感器本實驗儀的光纖光柵應變傳感器是一種懸臂梁應變調諧機構。應用材料力學原理可以嚴格計算出光纖光柵的應變，用于模擬環(huán)境物理量使光纖光柵產生的應變。由光纖光柵的應變又可計算出傳感光柵的波長變化。光纖光柵應變傳感器原理圖如圖5圖5光纖光柵應變傳感器原理圖光纖光柵粘接在懸臂梁距固定端根部x位置，螺旋測微器調節(jié)撓度，由材料力學可知,光纖光柵的應變?yōu)椋篲3(1-x)dh￡—13其中1、h、d分別表示梁的長度、撓度和中性面至表面的距離，n=1~PePe是光纖有效光彈系數。撓度變化Ah時，應變的變化量A及峰值波長的變化量為:As3(1As3(1—x)d13AX—(1-Pe)九As￡A尢AhA尢Ah(1—Pe)As九Ah__&(10)波長調諧曲線波長調諧曲線0￡為光纖光柵懸臂梁波長調諧靈敏度(單位是nm/mm)，可理論計算，但主要是通過實驗獲得。作為光纖光柵應變傳感器使用時，應變調諧靈敏度為:(11)As—p(11)Ah—(1—Pe)九￡1552.01551.0in1550.0長長1549.01548.01547.00123456789刻度圖6光纖光柵波長懸臂梁調諧曲線光纖光柵波長懸臂梁調諧器20中懸臂梁是79x5x1.4mm鋼帶，螺旋測微器

7最大行程為8mm，光纖光柵粘接在根部的5mm處，光纖光柵波長調諧靈敏度為0.38nm/mm（實際測量為0.3875,對應的應變調諧靈敏度為320Ms/n）最大調諧量3.8nm；附圖3—3是光纖光柵波長懸臂梁調諧曲線。2.3光纖光柵傳感測量系統(tǒng)工作過程及原理具有寬帶特性的探測光源經光纖耦合器一個輸出端、信號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，再由傳輸光纖傳輸到波長分析器；波長分析器的功能類似光譜儀的分光功能，探測傳感光柵光譜分布及其光譜變化，光電檢測是將光柵光譜分布及其光譜變化轉變成電信號的變化和數據處理，顯示為傳感結果輸出，數據處理和顯示可以由計算機完成。圖7圖7光纖光柵傳感測量系統(tǒng)光纖光柵傳感的測量有多種方法，圖8是可調F-P濾波器法的傳感測量系統(tǒng)的結構圖。圖8中，波長分析器是一種電驅動的可調光纖F-P濾波器。隔離器耦合器FBG1FBG2FBGNBBSHill_IIIII11111BBS掃描電壓丁t?可調光纖掃描電壓丁t?可調光纖FP濾波器輸出低通濾波抖動信號混合器圖8可調F-P濾波器法的傳感測量系統(tǒng)本光纖光柵傳感實驗儀測量系統(tǒng)原理框圖：如圖9。

波長分析器是一種懸臂梁可調光纖光柵濾波器，其原理圖與圖5光纖光柵應變傳感器相同，由螺旋測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。光電探測是一種寬帶接收系統(tǒng)，光電探測到的光強值是傳感光纖光柵光強分布曲線與濾波器光纖光柵光強分布曲線的卷積。其濾波器光纖光柵波長峰值與傳感光纖光柵波長峰值相同時，光電信號達到極大值，極大值的波長位置即是傳感光纖光柵波長位置。下圖是在計算機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，適用于數據穩(wěn)定情況；曲線形心法，即曲線切線交點定為峰值位置，切線是數據擬合結果，誤差較小，本實驗擬采用此方法。光柵波長分辨率:SV光柵波長分辨率:SVAVAVq是曲線斜率，5V是信號電壓最小可測量穩(wěn)定值。從上面圖示顯示出，實際譜圖A九曲線斜率為1.176V/nm,信號電壓最小可測量穩(wěn)定值有4mV，所以波長分辨率是4.7pm,即溫度測量分辯能力是0.13°C，應變測量分辯能力是3.9茁。三、實驗內容1、光纖光柵溫度傳感實驗2、光纖光柵應變傳感實驗四、儀器使用注意事項及保養(yǎng)光纖跳線不要強拉硬拽，不要使彎曲半徑過小。光纖跳線接頭安裝時，要對準插入，輕輕旋緊，僅防磨損光學表面，表面不潔時，用透鏡紙粘取少量無水乙醇輕輕擦拭表面。光纖跳線盡量保持在插入原位，不要頻繁拔下插入。儀器需要10多分鐘的預熱時間。實驗前要充分準備，熟悉實驗步驟，數據測試要熟練緊湊，以免溫度變化造成誤差。實驗結束后，螺旋測微器盡量保持在旋出位置，使懸臂梁處于無應力狀態(tài)。測不到信號時，先檢查跳線接頭是否處于對準插入狀態(tài)，檢查接頭表面是否過臟，檢查傳感波長位置是否處于可測量范圍之內。五、數據記錄與處理1、溫度根據公式#=心+——（其中爲=18?6€）求得:表1溫度表計算溫度t/°C18.819.5920.5821.7723.1625.1427.7230.4933.4637.42實際溫度T/C20.221.122.523.225.427.229.333.135.839.8測量誤差％6.97.28.56.28.87.65.47.96.56.0圖1t-T關系圖

由表1可以看出實際溫度比計算溫度高，可能是由于等的時間不夠充分，以至于還沒達到穩(wěn)定的溫度就開始測量。另外剛開始取的溫度差值比較小，由于儀器靈敏度的原因可能會帶來誤差，以及系統(tǒng)誤差。測量時還不能講初始溫度定的太高；并且溫度步長不能定的太大，否則會導致逸出而不能繼續(xù)進行實驗。E*腿SSft園1STHMJ陰一如刃S3KiQ購l=b+P*Ki&gAttKAAoC(m)P=-0.34090.DD.00Jo=155L10.DD.000.DD.000.DD.000.DD.00皿=0.02260.DD.000.DD.00莊=比細.?1勵0.DD.00=昨說.E0.DD.00fE=-023720.DD.001549.361549.611549.851590.091550541550.581550.831551.071551321551.561551.81圖218.8°C下的圖怒光纖光?伎感實靱入c=1550.?Tdf=O.Q22&蝦-02372k=1551-1JL=Jo+Jts般X絲AAU：|D.2D0.005D.T90.0180.99H.0221.19D.OZT1.390.03]0.00.000.0D.000.00.000.00.000.0D.00厘=邸俺角鞫圖623.16C下的圖趙X551.K511C噸飢漲AAdC(■)p=-0.300.200.015k=1551-J0.T9O.OIB0.99nicea臉AMAd1.19nicer1.33manot=0.02261.380.0450.D0.00広=心f(j).t8?te)0.D0.00加=曲他鳶先）0.D0.00血=-0.23720.D0.001549.361549.611549.851550.N1550341550.581550.831551.0T155132155156155!81A21550.MT1590.98圖7■-25.14°C下的圖1549.361549.611549.861550.091?).^1550.581550.831551.07LSI.2IS1.56I5518J..7衛(wèi)叩or圖1033.46C下的圖K光纖光■傳感實鑿儀圖1137.42°C下的圖2、應變根據公式占+(1—P嘰根據公式占+(1—P嘰Kh(-155°?75°)表2應變表測量應變41.0778.01192.745111.21129.68144.51151.88170.35192.554￡/p￡431632實際應變E/p￡73.65123.52163.34200.43221.23265.31286.34312.66356.83△入/nm0.0500.0940.1120.1350.1570.1750.1840.2060.23330020010050100150￡/p￡圖2￡-E圖200由表2可以看出測量應變與實際應變存在較大誤差,原因可能是觀察旋轉周時帶來的視覺誤差，以及儀器誤差。應變圖ftK：1590.733Id：當瀰A?Jte+|PK(PB)gp=-0.3409DLN0000DLOO0000“=1551.1DLOO0.000DLN0000DLOO00000=00226DLOO0.000UM*)DLOO0000dtsprt/iJJJMs)DLOO00000.000000冀="0.2312「'題1549361549.611549851550.091550341550.581590831551071551321551.561551.81蒯歸一SKAW：1550.60PW):22(M)gIMS.361M9.611549.851550.091550.341550.581550.$31551.071551.321551.561551.81z+p*rP=-0.34