光纤光栅传感器试验指引.docx

光纤光栅传感器实验指南【原理简述】1．光纤光栅结构及传感应用光纤光栅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（图1）。
光纤包层
入射光纤光栅传感器实验指南【原理简述】1．光纤光栅结构及传感应用光纤光栅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（图1）。
光纤包层
入射光
反射光
Bragg光纤光栅
纤芯
图1
光纤光栅示意图
当一束入射光照入光纤时，这种折射率周期变化的光纤光栅，将反射满足（
1）式相位匹配
条件的入射光波：
B
2neff
(1)
式中
B
称为Bragg波长，
为光栅周期，neff
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：
Ar0
2
*
sinh
2sL
R
Ai(0)
s2cosh2
sL
(
/2)2sinh2
sL
图2
为一个布喇格光纤光栅反射谱和透射谱。其峰值反射率
m为:
R
Rm
tanh2
nL
(2)
2neff
图2Bragg光纤光栅透射谱和反射谱
反射的半值全宽度（
FWHM）,即反射谱的线宽值为
2
2
n
B
B
(3)
L
neff
当光栅周围的应变
ε或者温度
T发生变化时，将导致光栅周期
或纤芯折射率n发生变
eff
化，从而产生光栅
Bragg信号的波长位移
△λ，通过监测
Bragg波长偏移情况，即可获
得光栅周围的应变或者温度的变化情况，
因而光纤光栅可用以如：
压力、形变、位移、电流、
电压、振动、速度、加速度、流量、温度等多种物理量的传感和测量。
2．光纤光栅应变传感原理
图3光纤光栅应变传感头
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：
3(lx)dh
l
3
（4）
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。
挠度变化h时，应变的变化量ε及峰值波长的变化量为：
3(l
x)d
h
（5）
l3
(1
Pe)B
（6)
Pe是光纤有效光弹系数。
由（5）、（6）式，光纤光栅应变变化量ε，可由波长的变化量转换计算出来