光纤光栅传感实验 menWord文档下载推荐.docx

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1．1．3改变光纤包层的折射率

Fig.2是一种全内反射光纤传感器原理图。

它的光纤端面的角度被磨成恰好等于临界角。

从纤芯输入的光将从端面全反射，经反射镜再沿原路返回输出。

当被测参量（折射率、浓度、温度等）发生变化时，光纤端面包层的折射率发生变化，全反射的条件被破坏，因而输出光强下降。

由此原理可制成光纤液体浓度传感器，光纤折射率计等。

1．2相位调制型

相位传感器的基本原理是利用被测参量对光学敏感元件的作用，使敏感元件的折射率、传感常数或光强发生变化，从而使光的相位随被测参量而变，然后用干涉仪进行解调，即可得到被测参量的信息。

用以上原理制成的光纤干涉仪可测量地震波、水压（包括水声）、温度、加速度、电流、磁场等，并可检测液体、气体的成分。

这类光纤传感器的灵敏度很高，传感对象广泛（只要能对干涉仪中的光程产生影响均可以传感），但是需要特种光纤。

这主要是针对光纤干涉仪中为获得干涉效应要采用单模光纤，最好采用“双折射率”单模光纤，并且为了使光纤干涉仪对被测物理量进行“增敏”，对非被测物理量进行“去敏”，需对单模光纤进行特殊处理，以满足测量不同物理量的要求。

Fig.3是Michelson光纤干涉仪，它利用一个光纤定向耦合器构成双光束干涉仪，两光纤之一为参考臂，另一为传感臂。

被测参量的变化可直接引起干涉仪中传感臂光纤的长度L（对应于光纤的弹性变形）和折射率发生变化，从而引起光纤中光波相位的变化。

若把磁致伸缩材料或压电材料固定在传感臂上，则可利用它们对光纤引起的压力变化来测量弱磁场或弱电场。

若在传感臂上镀上金属薄膜，则可利用电流的热效应来测量电流。

1．3偏振态调制型

被测参量可使光纤中光波的偏振态发生变化，检测该种变化的光纤传感器称为偏振态调制型。

最典型的是测量大电流用的光纤电流传感器。

基本原理是利用光纤材料的法拉第效应，即光纤处于磁场中，磁场使光纤中光波的偏振面旋转，旋转角与磁场强度H、磁场中光纤的长度L满足：

e=Km，K为光纤材料系数，Fig.4为其原理图。

这种测电流的方法测量范围大、灵敏度高、与高压线无接触，使输入输出端实现了电绝缘。

但是存在一些问题，主要是受外界温度、压力变化等影响，光纤本身会产生双折射效应，从而引起测量误差。

传感技术分为传光型光纤传感技术和传感型光纤传感技术。

光纤传感技术的核心是光纤传感器，相应的光纤传感器也分为传感型光纤传感器和传光型光纤传感器。

1.4传感型光纤传感器原理

传感型光纤传感器也称功能型光纤传感器，光纤既传光又传感而且还充当敏感元件对于传感型光纤传感器而言，当光在光纤中传播时，被测对象或外界因素作用在光纤上，会使光纤中传输光的振幅相位，波长和偏振态等发生改变。

此过程为光波的调制。

把调制后的光波经光纤传输到光电探测器解调后转换成电信号输出，传感型光纤传感器的原理比传光型光纤传感器的原理复杂。

传感型光纤传感器中应用最多的是相位调制型光纤传感器或干涉型光纤传感器。

其原理是外界因素使得光纤中传输光波的相位发生变化进而改变出射光、干涉光的强度，以此达到测量目的。

式中，

为光在真空中的波长，n为光纤纤芯的折射率，l为光在光纤中传播的距离。

一般通过外界因素可改变n和l进而可改变相位

而相位

和出射光光强I密切相关，从而改变出射光光强。

的干涉型光纤传感器有Michelsion干涉式光纤传感器,Mach-Zehnder干涉式光纤传感器、Fabry-perot（F-P）干涉式光纤传感器、Sagnac干涉式光纤传感器等。

干涉型光纤传感器是光纤传感与测量技术高精度测量中的最佳选择。

1.5传光型光纤传感器原理

传光型光纤传感器也称非功能型光纤传感器或强度调制型光纤传感器。

光纤主要起传输光波的作用，在光纤中间或端部加敏感元件。

其主要由光源光纤、光调制器、敏感元件、光电探测器和检测电路等组成。

传光型光纤传感器主要是强度调制型光纤传感器，其基本原理是待测物理量引起光纤中传输光的光强I变化，通过检测光强I的变化来实现对待测物理量的测量。

强度调制的特点是简单、可靠、经济、强度调制方式很多，主要有反射式强度调制和透射式强度调制。

1.5.1反射式强度调制型光纤传感器

Fig.5反射式强度调制原理图

移动反射器改变，就可以改变输出光纤接收光强I的大小，Fig.5是反射式强度调制原理示意图。

1.5.2透射式强度调制型光纤传感器

通过移动接收光纤方向改变d与y来改变发送光纤与接收光纤端面重合面积的大小，就可以改变接收光纤接收光强I的大小。

Fig.6是透射式强度调制原理示意图。

光纤光栅（FBG）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。

采用FBG测试是各领域温度、应变、振动、压力、加速度、位移的优选测试手段之一。

光纤光栅传感分析仪测试对象为光纤光栅，光纤光栅通常封装在前端温度、应变、加速度等物理量测试的传感器内部。

仪器系统可以监测、实时分析温度、应变、压力、加速度、位移等各种物理量，以分析相应用户关心的被测对象物理量变化情况。

仪器也可做简单光谱分析仪使用。

相对其它类型FBG分析仪，该型号光纤光栅分析仪结构紧凑，可靠性高，环境适应能力强，应用软件灵活实用。

系统兼顾了实验室及实际工程中对动态性能要求较高的（如武器装备等）应用场合，适用于工业控制监测、土木工程结构长期在线监测、电力、石油、航空航天等领域应用需求。

广泛应用于桥梁、大坝、隧道、油罐、电缆、开关柜、远距离输油管道等大型结构的长期健康监测，及科研实验等的光学器件测试。

2、实验目的

1、学习光纤光栅的原理，了解光纤光栅的结构

2、学会使用光纤光栅解调仪，并利用解调仪来测量实际的温度变化和位移量的大小。

3、了解温度传感器和位移传感器的结构

3、实验原理

3.1光纤光栅

光纤光栅是一种通过一定方法（用紫外激光向光纤纤芯内由侧面写入）使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件（如图1）。

由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。

当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输，其传输过程如图2。

图1光纤光栅结构示意图

图2光纤光栅原理示意图

3.2光纤光栅传感器原理

光纤光栅自问世以来，已广泛应用于光纤传感领域。

由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的兼容性等优点，所以越来越受关注。

由于光纤光栅的谐振波长对应力应变和温度的变化敏感，所以主要用于温度和应力和位移等的测量。

光纤布拉格光栅通常满足布拉格条件

（1）

式中，λB为Bragg波长，n为有效折射率，

为光栅周期。

当作用于光纤光栅的被测物理量（如温度、应力等）发生变化时，会引起n和

的相应改变，从而导致λB的漂移;

反过来，通过检测λB的漂移。

也可得知被测物理量的信息。

Bragg光纤光栅传感器的研究主要集中在温度和应力的准分布式测量上。

温度和应力的变化所引起的λB漂移可表示为：

（2）

式中，ε为应力，P[i，j]为光压系数，v为横向变型系数（泊松比），α为热胀系数，△T为温度变化量。

一般情况下，

（2）式中的n2[P12-v（P11+P12）]/2因子的典型值为0.22，可以推导出常温和常应力条件下的FBG温度和应力相应条件值为：

（3）

（4）

（2）式布喇格波长的相对变化量可以写成：

（2’）

其中a（a＝0.55×

10－6）、ξ（

＝8.3×

10－6）分别是光纤的热膨胀系数和热光系数（折射率的温度系数），Pe是有效光弹系数，大约为0.22。

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（2’）式是光栅传感的基本方程。

利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化的不同，可实现对磁场的直接测量。

如通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），可实现对电场等物理量的间接测量。

本实验中主要介绍两种光纤光栅传感器：

温度传感器和位移传感器。

光纤光栅温度传感器（如图3）。

光纤光栅的布拉格波长漂移不仅受应变的影响，也受温度变化的影响。

温度通过热光效应和热膨胀效应分别影响有效折射率和光栅周期，进而使光栅中心波长产生漂移。

为了能得到光纤光栅温度传感更详细的数学模型，在此有必要对所研究的光纤光栅作以下假设：

（1）仅研究光纤自身各种热效应，忽略外包层以及被测物体由于热效应而引发的其他物理过程。

很显然，热效应与材料本身密切相关，不同的外包层、不同的被测物体经历同样的温度变化将对光栅产生极为不同的影响，所以在此仅对光纤光栅自身进行研究。

（2）仅考虑光纤的线性热膨胀区，并忽略温度对热膨胀系数的影响。

由于石英材料的软化点在2700℃左右，所以在常温范围完全可以忽略温度对热膨胀系数的影响，认为热膨胀系数在测量范围内始终保持为常数。

（3）认为热光效应在我们所采用的波长范围和所研究的温度范围内保持一致，也即光纤折射率温度系数保持为常数。

（4）仅研究温度均匀分布情况，忽略光纤光栅不同位置之间的温差效应。

因为一般光纤光栅的尺寸仅10mm左右，所以认为它处于同一均匀温度场，并不会引起较显著的误差，这样就可以忽略由于光栅不同位置之间的温差而产生的热应力影响。

为了提高光纤光栅温度灵敏度，在光纤光栅温度传感器中，是将光纤光栅封装在温度增敏材料基座上，外部有不锈钢管保护，外面有加热装置。

波长变化量及温度灵敏度分别为：

定义为该温度传感器的温度灵敏度，可由实验获得，大约是

＝0.035nm/℃。

由式

（2），在无应变作用时，Bragg波长漂移与温度变化成线性关系。

如上所述，光纤光栅传感器能同时对温度和应变敏感，这就给应变测量带来了交叉敏感的问题。

对于应变测量而言，环境温度扰动是不可避免的，因此在测量应变的同时需要对温度进行测量，以补偿温度对应变测量的影响。

受外界环境温度的影响，光纤光栅的反射波长发生移动，通过测量光纤光栅反射波长的移动，便可以确定环境温度的改变。

光纤光栅十分纤细，强度较低，需对裸栅进行封装，增加传感器的机械长度和增长使用寿命。

图3光纤光栅温度传感器

光纤光栅位移传感器（如图4），是利用光栅的莫尔条纹现象来丈量位移的。

“莫尔”原出于法文Moire，一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。

计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；

按其作用原理又可分为幅射光栅和相位光栅；

按其用途可分为直线光栅和圆光栅。

下面以透射光栅为例加以讨论。

透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距。

目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。

光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。

一块光栅称为主光栅，它的大小与丈量范围相一致；

另一块是很小的一块，称为指示光栅。

为了丈量位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。

当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号。

由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。

如图5，此信号是一直流信号和近视正弦的周期信号的叠加，周期信号是位移x的函数。

每当x变化一个光栅栅距W，信号就变化一个周期，信号由b点变化到b’点。

由于bb’=W，故b’点的状态与b点状态完全一样，只是在相位上增加了2π。

由图5可得光电信号为

（5）

式中u0—光电元件输出的电压信号；

U（均匀）—输出信号的直流分量；

Um—输出信号中正弦交流分量的幅值。

从公式中可见，当光栅位移一个节距W，波形变化一周。

这时相应条纹移动一个条纹宽度B。

因此，只要记录波形变化周期数即条纹移动数N，就可知道光栅的位移X即

（6）

图4光纤光栅位移传感器

图5

图6

3.3光纤光栅传感系统解调原理

光纤光栅解调仪是分析光纤光栅光谱变化，采用拟合算法，解调出波长变化的光学仪器。

这是光纤光栅传感系统最核心处理设备，解调出波长变化量也是光纤光栅传感系统最重要的功能。

解调仪除了解调出波长变化量，从而得出传感器温度、应变、位移等物理量这重要功能外，也可以算出光纤光栅的中心波长，也可以作为简单光谱仪使用。

光纤光栅传感器感应被测物理量，这些物理量信息变化承载在传感器的光谱的变化上。

解调仪分析传感器反射回光谱的变化，从而得出要测量的物理量。

光纤光栅解调仪原理本质是将光谱通过衍射体光栅，空间分开，探测，这点和普通光谱仪类似，不一样的是，解调仪结构紧凑，速度快，采用高斯拟合算法，精准算出波长，及波长变化量。

其原理框图如图7。

图7解调仪原理框图

3.4光纤光栅应力传感器工作原理

光纤光栅应力传感器通常是将光纤光栅附着在某一弹性体上，同时进行保护封装。

反射光的波长对温度、应力和应变非常敏感，当弹性体受到压力时时,光纤光栅与弹性体一起发生应变，导致光纤光栅反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移量的度量来实现对温度、应力和应变的感测。

其工作原理如图8

图1给出了光纤光栅应力传感器与波长解调仪组成的应力测量系统。

它主要

由四个部分组成，第一部分为宽带光源，第二部分为光纤光栅应力传感器，

光纤光栅传感测量系统由四个部分组成，第一部分为宽带光源，第二部分为光纤光栅应力传感器，第三部分为基于可调F-P滤波器的波长解调仪，第四部分为计算机及软件分析处理系统。

图中给出等间隔分布多个光纤光栅应力传感器，这些光纤光栅通常要进行串接。

由宽带光源发出的宽带光信号经过隔离器和3dB耦合器传输到串接的传感光栅上，经过这些光纤光栅的波长选择后，一组不同波长的窄带光被反射，反射光再次经过3dB耦合器由波长解调仪接收，经过波长解调仪对这些波长进行识别，得到一组应力传感信息，当边坡内部应力发生变化时，通过光栅解调器检测出波长的变化即应力变化，之后输入到计算机进行数据分析处理，最后得到边坡受到压力的分布状况，根据监测对象内部变化情况，判断是否会产生塌方，起到报警作用。

4、实验内容与步骤

4.1利用温度传感器进行温度的测量

1、连接好主机箱电源线，打开主机预热5分钟。

2、将温度传感器的一端连接主机的输入接口，另一端空置（如图9）。

图9

3、

用网线将主机与电脑连接，打开软件（具体的软件安装步骤参考附页--软件安装及操作说明），在菜单里单击“物理量”，即出现如图10的窗口，此时窗口左侧显示的是测得的温度随时间的变化曲线，右侧则是反射光的中心波长及当前的温度值。

图10

4、如果需要将室温作为零点，单击“传感器参数设置”，即出现如图11界面，选择温度选项，并单击“读取初始波长”，则归零设置完毕。

此时右侧的物理量温度值即显示为0摄氏度。

如果不执行此操作，则右侧正常显示的是室温。

图11

5、单击“数据保存设置”选项，会出现如图12所示的对话框，选择合适的时间间隔保存数据，并确定。

此时开始，测得的数据会按照规律自动保存并生成TXT文件。

数据会保存在“Data”的文件夹里。

图12

6、用手握住温度传感器，同时握住温度计一段时间。

直至测得的温度不再发生大幅度变化。

此时读取软件上所得的温度值和温度计的示数，并将两个温度值对比分析误差的原因。

7、在所生成的TXT数据文件中摘取部分数据，描绘温度-时间的曲线，分析曲线的变化趋势。

4.2利用位移传感器进行位移的测量

1、按照图13所示，将位移传感器的主体部分固定在光学平台上，将传感器与主机连接。

图13

2、参考4.1中的软件操作，打开软件，设置好位移测量的选项。

3、轻轻一动丝杆让丝杆前段接触传感器，记录此时丝杆的读数；

将丝杆一定一个距离（如1mm），读取软件测量的结果并比较分析。

注意：

由于位移传感器会受到温度的影响，所以测量的数据会有一定的误差存在。

光纤光栅传感器的优势

与传统的传感器相比,光纤Bragg光栅传感器具有自己独特的优点:

（1）传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变,适合埋入大型结构中,可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等,稳定性、重复性好;

（2）与光纤之间存在天然的兼容性,易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高;

（3）具有非传导性,对被测介质影响小,又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点,适合在恶劣环境中工作;

（4）轻巧柔软,可以在一根光纤中写入多个光栅,构成传感阵列,与波分复用和时分复用系统相结合,实现分布式传感;

（5）测量信息是波长编码的,所以,光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响,有较强的抗干扰能力;

（6）高灵敏度、高分辩力。

正是由于具有这么多的优点,近年来,光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测,以及能源化工等领域得到了广泛的应用。

光纤Bragg光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为监测材料和结构的载荷，探测其损伤的传感器。

附页：

仪器软件操作

第一次安装使用解调仪软件，务必：

1）先安装辰源光子提供的LVRTE90std.exe（光盘里有，网上也可以下载，免费的），一直next下去即可。

2）注册控件：

TeeChart5.ocx，方法：

直接鼠标右键TeeChart5.ocx，选择Register，即可；

3）双击“注册OCX控件.reg”注册成功。

上述第一次安装注册后，以后无需操作，直接打开软件:

IM2000.exe.

光谱图

出现光谱界面，如上图，显示有两个光纤光栅传感器。

横坐标是像素，也可以对应波长，纵坐标是光谱强度。

可以选择波长图界面：

如下图：

波长图

出现波长图界面，如上图，显示有两个光纤光栅传感器。

横坐标是最近测量100次，对应时间，纵坐标是波长值（nm）。

右边是波长数值。

用户关心的是波长值，在实际应中更多的是关心物理量，物理量正确显示需要对传感器配置，每个传感器系数不一样，需要分别配置系数，这在传感器配置菜单里的传感器配置功能实现，界面如下：

传感器配置界面

传感器配置涉及到传感器初始波长，系数，是否需要温度补偿，什么传感器作为该传感器温度补偿，这都在这里配置，配置正确，物理量即我们实际工程应用上需要的结果就出来了。

正确配置后，还需要将仪器实时测量的数据结果保存在PC硬盘里，需要保存设置，界面如下：

数据保存界面

可以根据实际需要，选择实时存储还是间隔存储，选择多长时间保存一个文件，软件会自动命名重新保存下一个时间段数据。

软件操作有几个重要原则：

三、常见问题

问题1：

显示的光谱图没有尖峰，峰顶很平，或已经凹陷成两个波峰。

原因：

传感器反射功率过大，使光谱功率已经饱和。

解决办法：

由于光源功率固定，所以最好是将传感器慢慢拔出一点，减少反射功率。

或者增加一个衰减器

问题2：

软件显示的传感器数目与实际连接的数目不符。

1.传感器反射功率太小。

2.阈值功率设置不合适。

3.有传感器已损坏。

很大可能是传感器反射功率很小，如是这样首先查看传感器接头是否连接太松，再者可能传感器光纤接头被污染，用酒精棉球擦拭干净即可。

再一种可能就是阈值功率选择不合适，太大会导致部分波长丢失，太小又会多出波长。

最后一种原因是损坏则只能另换传感器，但一般可能也很小。

问题3：

软件中波长显示或存储波长数据发现与实际传感器波长值不符。

1.如果错误的波长刚好是另一个传感器的波长则最大可能是配置传感器参数时未能读取正确的初始波长值。

2.波长间隔设置太小，导致软件无法分辨出两个相邻波长。

3选择了错误的体光栅模块系数。

1.一定要配置传感器参数（参见光纤光栅分析仪使用说明书），并且在读取每个通道的初始波长时要将光开关切换到你正在读取的通道，不然就会将别的通道波长值读到本通道。

在配置完每个通道后一定要保存。

2波长间隔是保证软件区分每个传感器的重要指标，要根据实际传感器的测量量程来设置，如果太小，则会导致软件不能区分相邻两个波长。

3.错误的系数选择导致传感器系数错误，从而会导致算出来的波长不准。

问题4：

设置了存储数据，但存储文件中无数据。

1未