光纤光栅传感实验.ppt

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1、上一页下一页 主目录O 返 回光纤光栅传感实验 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望上一页下一页 主目录O 返 回实验的意义 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

2、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。上一页下一页 主目录O 返 回1.实验目的v了解光纤光栅传感器测量应变的原理了解光纤光栅传感器测量应变的原理；v掌握光纤光谱仪的使用掌握光纤光谱仪的使用；v测量等强度梁产生的应变，验证光纤光栅传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感器的波长漂移与应变量与应变量成线性关系成线性关系；上一页下一页 主目录O 返 回2.实验原理（1）光纤光栅的光谱特性）光纤光栅的光谱特性光纤光栅是利用光纤中的光纤光栅是利用光纤中的光敏性光敏性制成的。制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂

3、光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布纤时，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）滤波器内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。或反射镜。上一页下一页 主目录O 返 回光纤光栅光纤光栅(如图如图1 1所示所示)是性能优良的敏感元件是性能优良的敏感元件,它通过栅格反射波长的它通过栅格反射波长的移动来感应外界物理量移动来感应外界物理量的微小变化。的微小变化。图图1 光纤光栅结构光纤光栅结构 上一页下一页 主目录O 返 回 根据光

4、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）其中其中,为光栅周期为光栅周期,neff为有为有效折射率。其余的光将透射效折射率。其余的光将透射过去，如图过去，如图2所示。所示。图图2 光纤光栅传感原理光纤光栅传感原理上一页下一页 主目录O 返 回（2）光纤光栅的应变）光纤光栅的应变当光栅周围的温度、应变、应力或其他待测当光栅周围的温度、应变、应力或其他待测物理量发生变化时物理量发生变化时,将导致光栅周期或纤芯折将导致光栅周期或纤芯折射率发生变化射率发生变化,从而产生光栅反射波长的漂移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通过监测反射波长

5、漂移情况,即可获得待测即可获得待测物理量的变化情况。物理量的变化情况。上一页下一页 主目录O 返 回由应变导致反射波长的变化的关系式为：由应变导致反射波长的变化的关系式为：（2）其中，其中，P为光纤的有效弹光系数，为光纤的有效弹光系数，为应变变化为应变变化量。通过在等强度梁末端加载砝码使之产生应量。通过在等强度梁末端加载砝码使之产生应变。变。上一页下一页 主目录O 返 回（3）等强度梁的应变公式）等强度梁的应变公式利用如下公式：利用如下公式：（3）计算等强度梁产生的应变。其中计算等强度梁产生的应变。其中h为梁的厚为梁的厚度，度，l为梁的固定端到自由端的长度，为梁的固定端到自由端的长度，X为梁为

6、梁的挠度。如图的挠度。如图3所示。所示。上一页下一页 主目录O 返 回blh图图3 等强度梁几何尺寸等强度梁几何尺寸上一页下一页 主目录O 返 回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上一页下一页 主目录O 返 回3.仪器介绍等强度梁试验台等强度梁试验台通过加载砝码产生应变通过加载砝码产生应变光纤光栅应力传感器光纤光栅应力传感器上一页下一页 主目录O 返 回宽带光源和直流电源宽带光源和直流电源上一页下一页 主目录O 返 回光纤光谱仪光纤光谱仪上一页下一页 主目录O 返 回耦合器耦合器法兰盘法兰盘上一页下一页 主目录O 返 回4.实验内容与步骤（1）光纤光栅的光谱特性

7、）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 光谱测量装置图通过法兰盘、跳线将光纤通过法兰盘、跳线将光纤光栅传感器、宽带光源、光光栅传感器、宽带光源、光纤光谱仪按图纤光谱仪按图4连接。连接。设定光谱仪波长范围，扫设定光谱仪波长范围，扫描光纤光栅光谱曲线。描光纤光栅光谱曲线。观察并记录峰值波长、带观察并记录峰值波长、带宽。宽。上一页下一页 主目录O 返 回（2）光纤光栅的应变测试）光纤光栅的应变测试测量等强度强几何参数测量等强度强几何参数h、l；将光纤光栅传感器固定在等强度梁上，记录此时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。光纤光栅的中心波长。在梁的末端加载砝码

8、，每次加载的砝码重量为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。测量并记录每次加载产生的挠度和光纤光 栅反射波长；栅反射波长；计算每次加载光纤光栅的波长漂移，即加载后的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（波长与中心波长的差值。利用公式（3）计算每）计算每 次加载产生的应变。然后将数据记录在表次加载产生的应变。然后将数据记录在表1中。中。上一页下一页 主目录O 返 回实验数据记录表h=l=光纤光栅中心波长光纤光栅中心波长 序号序号1 12 23 34 45 56 6挠度挠度X(mm)应变量应变量()反射波长反射波长(nm)波长漂移波长漂移(nm)(nm)灵敏度灵敏度(nm/(nm/)上一页下一页 主目录O 返 回5.思考练习1 不受应力时为什么光纤光栅的反射波长每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？次测量会略微变化，受哪些因素影响？2 影影响响波波长长漂漂移移与与应应变变量量线线性性度度的的实实验验误差有哪些？误差有哪些？