实验--光纤光栅传感实验.doc

光纤光栅传感器实验一、实验目的 ; 、基本原理; 。二、实验原理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。 1. 光纤光栅及其基本特性光纤光栅的基本结构如图 1-1所示。它是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,这种光栅称之为布喇格( 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: ?? eff Bn2?(1) 式中 B?为 Bragg 波长(即光栅的反射波长),为光栅周期, effn 为光纤材料的有效折射率。如果光纤光栅的长度为 L,由耦合波方程可以计算出反射率 R为: 附图 1-1 光纤光栅示意图布喇格光纤光栅纤芯入射光反射光光纤包层?? R AA sL s sL sL ri??? 002 222222() sinh cosh (/) sinh *????图1-2 显示了两条不同反射率的布喇格光纤光栅反射谱,附图 1-3 为实际的一个布喇格光纤光栅反射谱和透射谱。其峰值反射率 mR 为:??????????? eff mn nL R2 tanh 2?(2) 反射的半值全宽度( FWHM ),即反射谱的线宽值 22??????????????????? eff BBn nL ??(3) (1)式中, , effn?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: / ( ) (1 ) B a T Pe ? ? ? ?? ? ??(4) 其中 a、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 。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( 4 )式是光栅传感的基本方程。 SGQ-1 型光纤光栅传感实验仪是我公司设计的系列实验设备之一。通过本实验仪的相关实验使学生了解和掌握光纤光栅的基本特性、光纤光栅传感器的基本附图 1-2 曲线?L =2和?L =5 的反射谱附图 1-3 布喇格光纤光栅透射结构、光纤光栅传感的基本原理、光纤光栅传感测量的基本方法和原理,同时使学生了解光纤光栅和光纤传感的局限性。 2. 光纤光栅传感实验仪基本结构光纤光栅传感实验仪,它包括光纤光栅传感测试单元和光纤光栅传感单元, 其基本结构如附图 2-1、附图 2-2。 1- ASE 宽带光源