實(shí)驗(yàn)--光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)

1、光纖光柵傳感器實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解和掌握光纖光柵的基本特性；2. 了解和掌握光纖光柵傳感器的基本結(jié)構(gòu)、基本原理;3. 光纖光柵傳感測量的基本方法和原理。二、實(shí)驗(yàn)原理光纖光柵是近年來問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。特別是在用于光纖傳感時(shí)，由于其傳感機(jī)構(gòu)（光柵）在光纖內(nèi)部，且它屬 于波長編碼類型，不同于普通光纖傳感的強(qiáng)度型，因而具有其他技術(shù)無法與之相 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、 可防光強(qiáng)變化對測量結(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

2、用。光纖光柵傳感器可集信息的傳感與信息的傳輸于一體，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，便很快受到青睞，并作為一門新興傳感技術(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)面寫入，形成折射率周期變化的光柵結(jié)構(gòu)，這種光柵光纖包層布喇格光纖光柵入射光反射光附圖1 1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：(1)B 2neff式中b為Bragg波長（即光柵的反射波長），為光柵周

3、期，neff為光纖材料 的有效折射率。如果光纖光柵的長度為L ,由耦合波方程可以計(jì)算出反射率 R為:Ar 0Ai(O)sinh 2 sL2 2 2 2s cosh sL (/ 2) sinh sL附圖1- 2 曲線 L=2和L=5的反射譜附圖1-3布喇格光纖光柵透射圖1-2顯示了兩條不同反射率的布喇格光纖光柵反射譜，附圖1-3為實(shí)際的 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:Rmtanh 2nL2neff反射的半值全寬度（FWHM ），即反射譜的線寬值（1）式中，neff,是溫度T和軸向應(yīng)變&的函數(shù)，因此布喇格波長的相對變化量可以寫成：V / B (a )VT (1 Pe

4、)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&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，測量光柵波長的變化就可以計(jì)算出待測物理量的變化，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)的系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備之一。通過本實(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。2. 光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)儀基本結(jié)構(gòu)光

5、纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)儀，它包括光纖光柵傳感測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2-2。圖2 1光纖光柵傳感測試單元結(jié)構(gòu)1 ASE寬帶光源 2 1550nm信號光源輸入接口3寬帶光源輸出接口4 寬帶光源輸入接口5-光纖耦合器6-波長懸臂梁調(diào)諧器7-螺旋測微器8- 光強(qiáng)信號數(shù)字電壓表8-光強(qiáng)信號接收放大電子線路9- 波長傳感器信號接收放大電子線路10 A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理電子線路11 RS232數(shù)據(jù)輸出接口20W2附圖2-2光纖光柵傳感單元基本結(jié)構(gòu)12 傳感信號輸入接口13-光纖光柵溫度傳感器14、15-溫度傳感信號輸出接口 1、219溫度數(shù)字顯示器 20光纖光柵應(yīng)變傳感器21應(yīng)變傳

6、感信號輸出端22螺旋測微器光纖光柵傳感測試單元，它主要包括寬帶光源 1 摻鉺(E葉)光纖ASE寬 帶光源，手動(dòng)光纖光柵波長懸臂梁調(diào)諧器 6、7，光強(qiáng)信號接收放大電子線路 8， A/D 轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理電子線路 10，光纖光柵波長傳感器信號接收放大電子線路 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，傳感測試用寬帶光源輸 入端 4 也連接到機(jī)箱面板上。此測試單元還有 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試單元接口 12 與光 纖光柵傳感單元接口 15或

7、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屬的加熱及加熱調(diào)節(jié)1 6、1 7和溫度檢測裝置、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。3. 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(yīng)變&同時(shí)

8、影響時(shí)，光纖光柵峰值波長會發(fā)生變化， 其相對變化量可以寫成：V / (a )VT (1 Pe)(4)其中a 分別是光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)，其值a= 0.55X 10 6,=8.3X 10 6,即溫度靈敏度大約是 0.0136 nm /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 0.001209 nm / 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 。波長變化量及溫度靈敏度分別為(請自行推算) ：/ T (a

9、) (1 Pe)(aj a) )(5)/Tt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t0.035nm/C。由測量到的波長的變化量可計(jì)算出溫度的變化t to :tt t0T附圖3-1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) 8.3X 10 6/CPe：石英材料（光纖光柵）光纖有效光彈系數(shù)，為0.22,n = 1 Pe,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，用于模擬環(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)

10、變又可計(jì)算出傳感光柵的波長變化。光纖光柵應(yīng)變傳感器20原理圖如附圖3 2光柵2D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(diào)節(jié)撓度， 力學(xué)可知，光纖光柵的應(yīng)變?yōu)椋?（ I x ） dhT3其中l(wèi)、h、d分別表示梁的長度、撓度和中性面至表面的距離由材料(6),n =1 PePe是光纖有效光彈系數(shù)。撓度變化厶h時(shí)，應(yīng)變的變化量及峰值波長的 變化量為：(1 Pe)_(1 Pe)h h(8)為光纖光柵懸臂梁波長調(diào)諧靈敏度(單位是 nm/mm),可理論計(jì)算，但主要是通過實(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 (1 Pe)波長調(diào)諧曲線附圖3-3光纖光柵波長懸臂梁調(diào)諧曲線光纖

11、光柵波長懸臂梁調(diào)諧器20中懸臂梁是79X 5 x 1.4mm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(diào)諧靈敏度 為0.38nm/mm (實(shí)際測量為0.3875,對應(yīng)的應(yīng)變調(diào)諧靈敏度為 320卩& /mm), 最大調(diào)諧量3.8nm；附圖3- 3是光纖光柵波長懸臂梁調(diào)諧曲線。3.3光纖光柵傳感的測量方法光纖光柵傳感測量系統(tǒng)如附圖3- 4。光纖光柵傳感屬于波長編碼類型，不同于普通光纖傳感的強(qiáng)度型，光纖光柵傳感測量系統(tǒng)核心部分是波長分析器。if1信號傳輸光纖耦合器X 、H4+H探測光源廠耦合器f-1 1111 1 "4 1 1 >4 1

12、1-*波長分析器光纖光柵傳感頭光電檢測口一 顯示附圖3-4光纖光柵傳感測量系統(tǒng)光纖光柵傳感測量系統(tǒng)工作過程及原理是：具有寬帶特性的探測光源經(jīng)光纖 耦合器一個(gè)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?shù)讲ㄩL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(zhuǎn)變成電信號的變化和數(shù)據(jù)處理，顯示為傳感結(jié)果輸 出，數(shù)據(jù)處理和顯示可以由計(jì)算機(jī)完成。光纖光柵傳感的測量有多種方法，附圖 3- 5是可調(diào)F-P濾波器法的傳感測 量系統(tǒng)在附圖3-5中，波長分析器是一種電驅(qū)動(dòng)的可調(diào)光纖

13、F-P濾波器本光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)儀測量系統(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)儀測量系統(tǒng)原理框圖在本測量系統(tǒng)中，波長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(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峰值與傳感光纖光柵波長峰值相同時(shí)，光電信號達(dá)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(jì)算機(jī)光譜譜 圖界面上顯示出的光纖光柵譜圖。XI）引* PP -o WAn 15

14、49.3s-b引f盯v i« q a*" t* > - j * *ErJQ WP « -0. 2BEJii-h.t希 Jiif!>*9 Dt « D 0a da a MD 0Bi 9B Dr sk無網(wǎng)卅®rr.£T昌峽；i燉杷占1C 4n朕4之nT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(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。光柵波長分辨率:是曲線斜率，V是信號電壓最小可測量穩(wěn)定值。從上面圖示顯示出，實(shí)際譜圖曲線斜率為1.

15、176V/nm，信號電壓最小可測量穩(wěn)定值V有4mV，所以波長分辨率是4. 7pm，即溫度測量分辯能力是 0.13C，應(yīng)變測量分辯能力是3.9。三、注意事項(xiàng)1. 光纖跳線不要強(qiáng)拉硬拽，不要使彎曲半徑過小。2. 光纖跳線接頭安裝時(shí)，要對準(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 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，螺旋測微器盡量保持在旋出位置，使懸臂梁處于無應(yīng)力狀態(tài)。6. 測不到信號時(shí)，先檢查跳線接頭是否處于對準(zhǔn)插入狀態(tài)，檢查接頭表面是否 過臟，檢查傳感波長位置

16、是否處于可測量范圍之內(nèi)。四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 光纖光柵溫度傳感實(shí)驗(yàn) 連接（測試單元圖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輸出端14或15與附圖2-1光纖光柵傳感信號輸入接口 12連接）。 溫度調(diào)節(jié)鈕旋至最小，開啟電源，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)傳感測試軟件。 在計(jì)算機(jī)傳感測試軟件的“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)波長調(diào)諧螺旋測微器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)傳感測試

17、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o，作為此次實(shí)驗(yàn)的參考波長。 轉(zhuǎn)動(dòng)傳感單元上溫度調(diào)節(jié)電位器，開始加熱，5-6分鐘后溫度顯示數(shù)字穩(wěn)定, 記錄此時(shí)溫度數(shù)據(jù)T。重復(fù)步驟，開始這一溫度下的光纖光柵光譜分布曲線數(shù) 據(jù)測試，記錄傳感測試軟件上極大值波長的改變量 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0 = ?Tt 由t to t計(jì)算出測量溫度，繪制測量溫度值t與傳感器處的實(shí)際溫度值T 關(guān)系曲線。2. 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)變傳感信號輸出端

18、與附圖2- 1光纖光柵傳感信號輸入接口 12連接）。 應(yīng)變調(diào)節(jié)鈕旋至零刻度，開啟電源（不開啟傳感單元電源），啟動(dòng)計(jì)算機(jī)傳感測試軟件。 在計(jì)算機(jī)傳感測試軟件的“模式選擇”菜單下選“應(yīng)變”?；九c溫度傳感實(shí) 驗(yàn)步驟相同，粗調(diào)確定出有光強(qiáng)信號輸出的起始位置， 再以一定的小進(jìn)給量，緩 慢轉(zhuǎn)動(dòng)波長調(diào)諧螺旋測微器7到需要的刻度位置即撓度，觀察計(jì)算機(jī)傳感測試軟 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 轉(zhuǎn)動(dòng)傳感調(diào)諧螺旋測微器一圈0.5mm,重復(fù)步驟開始這一應(yīng)變值下的光纖光柵光譜分布曲線數(shù)據(jù)測試，記錄傳感測試軟件上傳感應(yīng)變下極大值波長與“零刻度傳感應(yīng)變”極大