光纤光栅传感器试验指引
光纤光栅传感实验
应变 可以使很多物理量（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 (1)式是光栅传感的基本方程. (1)式是光栅传感的基本方程. 2.光纤光栅传感的基本原理 2.光纤光栅传感的基本原理 （1）光纤光栅受到温度或应变影响时, 光纤光栅峰值 ）光纤光栅受到温度或应变影响时, 波长会发生变化，其相对变化量可以写 成 ∆λ / λ = (α + ξ )∆T + (1 − p )ε ，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 温度增敏材料的基座上，外部有不锈钢管保护，外面 有加热装置，其测量温度可由（2 有加热装置，其测量温度可由（2）式计算
实验目的
• １．了解光纤光栅基本特性和光纤传感的
基本原理． • ２．了解光纤光栅传感测量的基本方法和 原理． • ３．手工记录数据进行光纤光栅传感的温 度测量实验．
实验原理
1.光纤光栅及其特性 1.光纤光栅及其特性 光纤光栅的基本结构如图1 光纤光栅的基本结构如图1所示。光纤光 栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射 光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的 永久性变化，用紫外激光直接写入法在单 模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其 实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或 反射镜。
SGQSGQ-1 光纤光栅传感实验仪
试单元和光纤光栅传感单元，基本结构如 图2-1，2-2所示
实验内容
光纤光栅温度传感实验 (1)实验前的准备 (1)实验前的准备 将测试单元中宽带光源1的输出接口3 将测试单元中宽带光源1的输出接口3与宽 带光源输入端4用条线连接，将RS232接口 带光源输入端4用条线连接，将RS232接口 与计算机连接，将光纤光栅传感单元中的 光纤光栅温度传感信号输出端14或15与传 光纤光栅温度传感信号输出端14或15与传 感信号输入接口12连接，温度旋钮调至最 感信号输入接口12连接，温度旋钮调至最 小，开启传感单元电源，启动软件。
光纤光栅的检测技术共22页
可调谐波长的光纤F a b r y-Perot滤波器检测单个传感光栅的 跟踪模式
（2）声光可调谐滤波器
• 声-光可调谐滤波器（AOTF）是一种由射频（RF）驱动 频率可调谐的固态光滤波器，其中，AOTF的波长调谐范 围可宽至几个毫米，时间响应可小于5kHz，并具有窄的 光谱带宽。该器件可工作于多种模式，如分光计、颤动滤 波器和跟踪滤波器等。若提供覆盖整个工作范围的宽带光 源或光源组，AOTF可应用于大规模光纤Bragg光栅阵列 的波长复用。利用AOTF中不同频率的多射频信号，原理 上可实现多光栅的并行检测。
3.可调谐滤波检测法
• （1）可调谐波长的光纤F a b r y-P e r o t滤波器
• • 可调谐光纤F a b r y-P e r o t滤波器（FFP）已广泛应用
于传感光栅的信号解调，其中，该滤波器可由L o r e n t z 谱线形状的带通响应描述，典型的带宽为0.3nm，工作范 围为几十个纳米，受限于由两平面镜距离所决定的共振之 间的自由光谱区（FSR）。 • 通过压电陶瓷（PZ）精确移动平面镜的间距，可改变F a b r y-P e r o t腔的的腔长，从而实现滤波器的调谐，参见 下图。当前，可调谐FPF的扫描频率可达1kHz。该滤波器 有两种工作形式：可检测单个光栅的跟踪（闭环）模式； 可检测多个光栅的扫描模式。为保证光纤光栅的反射信号 总能被FFP检测，FFP的自由光谱区应大于光纤光栅的工 作谱区。
• 从光纤Bragg光栅返回的光均匀分为两束，一束直接送入探测器
作为参考信号；另一束则通过滤波函数为式（1）的线aussian分布，则接收到的光
强分别为
IS12I0RA(B0)
IR
1 2
I0R
IS IR
光纤光栅动态应变测试实验
实验二 光纤光栅动态应变测试实验一、实验目的当简支梁受外载荷情况下，学会用光纤光栅传感器测量其表面某点的应变，加深对光纤光栅动态应变测试的理解。
在实验过程中采集数据，分析并处理数据，并做时域分析。
二、实验设备WS-ZHT2型振动综合教学实验台光纤光栅解调仪光纤光栅焊接机光纤布拉格光栅（FBG ）三、实验原理在材料力学中，由梁弯曲变形的基本公式得：zy =I M σ （1） 矩形截面，惯性矩3z b h I =12（2） 由胡克定律可知：=E σε （3）注：45号钢弹性模量E=209Gpa应力应变引起光栅布拉格波长漂移可以由下式给予描述：()Δεk ΔεPe 1λεΔλεB B =-= （4）式中，Pe 为光纤的弹光系数，εk 为应变ε引起的波长变化的灵敏度系数。
对于带有中心反射波长B λ， 的典型的石英光纤，轴向应变ε和波长漂移B Δλ有如下关系：B Δλ/B λ=0.78ε （5）说明：1nm=103pm 1pm ≈1με四、实验内容与步骤1 测量出简支梁的长宽高以及所测点在的位置，根据公式（1）、（2）、（3），给出在激励F 作用下所测点对应的应变该变量ε，即F 与ε的关系。
2 在静载荷下采集波长，求得波长的平均值0λ3 在同一频率下分别施加F1、F2、F3，分别采集所对应的波长13λλλ、2、，求出波长变化量13λλλ∆∆∆、2、（0=-λλλ∆），然后分别代入（5）式中计算得应变13εεε、2、 3 每一实验小组分别选三个频率，分别在每个频率下施加F1、F2、F3，通过采样、计算后得到应变13εεε、2、。
4 绘出时域上的应变图，进行频谱分析，观察频谱图中频率大小是否与实验中所给频率大小相同，分析时域图中应变变化与力的变化的关系，从而判断实验与理论是否吻合。
五、实验报告要求1 从理论上推导外载荷F 与应变ε之间的关系2 先在静态下求出波长平均值0λ，通过加外载荷实验得到的波长λ，算出变化量λ∆，再转化成应变ε，用EXCEL 或MATLAB 绘制时域图，并分析图形走势3 频谱分析，试着从频谱上观察振动频率，振动幅值。
光纤光栅压力传感器实验研究
３ 实验原 理与结 果分析
由耦合模理论 可知 ， 光纤布喇格光栅 中心反 ３ １ 实验 原理 ． 射波长为 图２ 为光纤光栅压力传感系统的实验原理示
收稿 日 ： ｏ — ９ １ ． 期 ２ ６ ０—５ ０
文章编号 ：０ ７—１４ ２０ ）１— １ ２— ２ １ ０ ４ Ｘ（０ ６ １ ０ ７ ０
Ｖ １２ ｏ １ ０． ８ Ｎ ． １
Ｎｏ ． ０ ６ ｖ２ ０
光 纤 光 栅 压 力传 感 器 实验 研 究
闻琛 阳 ， 何 伟 ， 东 生 张
（ 武汉理 工大学 光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室 ， 湖北 武汉 ４０７ ） ３００
光效应引起波长的改变； 而温度的影响则是由于热 特的优点 ： ①传感信号是波长调制， 测量信号不受 膨胀效应和热光效应。经研究证明， 热效应和力效 光强波动的影响 ； ②具有 自 参考点 ， 测量的是绝对 应相互独立。当温度恒定， 光纤光栅只受轴向应变 值； ③更容易采用波分 复用技术 ， 现分布式传 实 作用时， 光纤光栅的中心反射波长的相对变化为 感； ④光栅直接写入纤芯 ， 其结构简单 、 稳定性好 、 （ 、 １一Ｐ ） 占 ｅ ， （） 、， 一 ２ 和插入损耗低 ， 易于实现一维光子集成。
：
＾ Ｂ
２ 光纤 Ｂ ａｇ ｒｇ 光栅传感原理
光纤布喇格光栅 （ ｉ ｒ ｒｇ Ｇａｎ ） Ｆｂ ａｇ ｒ ｉ 是一种 ｅＢ ｔｇ
式 中。 Ｐ：
为光纤 的有效
弹光系数 ； 为纤 芯材料 的泊松 比； Ｐ 为弹 Ｐｌ １ 和 全光纤无 源器 件。如 图 １所 示 ， 当一束 光进 入 光系数 。 Ｆ Ｇ时 ， Ｂ 它能对 波长满 足 Ｂａｇ反射 条件 的入射 ｒｇ 对于本文所选用 的光纤， ＝ ．６ ＝ ．６ ｎ １４ ， ０１ ， Ⅱ 光产生反射 。这种反射是一种窄带反射 ， Ｊ 其反 ＰＩ ０１ ，ｌ ０２ ， １＝ ．２Ｐ２ ．７ 由此可以 ＝ 计算得 ＝ ［。 Ｑ２ 引 ２
光纤Bragg光栅温度传感器温敏实验
光纤Bragg光栅温度传感器温敏实验【摘要】油气田生产测井一个重要任务是测量温度参数。
而由于光纤bragg光栅温度传感器的固有优点，是最热门的油气井下常规温度传感器的潜力替换产品。
将光纤光栅用少量环氧树脂胶粘贴于膨胀系数和光纤相等的特殊材料上，制成温敏元件。
根据油气井下温度的范围，设计了35-105℃裸光纤bragg光栅温度传感特性实验，采用精度±1℃的温控箱进行加热，每隔10℃测量一点，每点温度间隔至少15分钟，无论是温度上升还是下降，温度和中心波长的线性关系都很好，上升时r2=0.9999，下降时r2=1；另外，上升时光栅灵敏度为10pm/℃，下降时光栅灵敏度为9.8 pm/℃，与理论相差很小，说明所封装的温度传感器在35～105℃的工作温度范围内性质稳定，可用于实际油气井动态温度监测。
【关键词】光纤光栅温度传感特性封装1 前言光纤bragg光栅由于其在温度参数测量方面固有的优点，越来越受到业内专家的重视[1-4]。
本文设计了一种光纤bragg光栅温度传感器，对其在35～105℃温度条件下的进行温敏实验。
2 光栅结构及传感原理利用紫外激光的干涉条纹在一定范围内照射具有光敏性的光纤，可使该段光纤纤芯的折射率发生永久周期性的改变，形成光纤bragg光栅。
bragg光纤光栅从本质上来说相当于一个窄带滤波器，当具有一定波谱范围的入射光传输到光纤bragg光栅时，光栅就会把满足bragg条件的、且被外界环境参量（如温度、压力、应力、流量等）调制过的入射光反射回来，通过对反射光谱进行解调，即可获得所需（压力、温度）信息，其结构如图1所示。
3 温度传感器封装结构本次实验选用的基底为圆形，材质采用膨胀系数和光纤相等的特殊材料，长度10cm，直径3cm。
为了使裸光栅能更好地和基底接触，受热均匀，可在圆形基底上划一个3mm深，1mm宽的小槽，裸光纤bragg光栅用少量环氧树脂胶均匀粘贴在凹槽内。
在对温度传感器封装过程中，应对裸光纤光栅施加适当的预应力，并适当加热，防止光纤光栅因胶凝固使中心波长减小。
光纤光栅压力传感实验(Word)
光纤光栅压力传感实验摘要光纤布拉格光栅(FBG)是国际上新兴的一种在光纤通讯、光纤传感等光电子处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。
当前FBG的制作与应用研究成为世界各国光纤技术研究的热点和重点。
光纤布拉格光栅传感器是利用Bragg 波长对温度、应变的敏感特性制成的一种新型光纤传感器，它具有抗电磁干扰、精度高、长期稳定性好、能多点分布检测等优点，在大型复合材料和混凝土的结构监测、智能材料的性能监测、电力工业、医药和化工等领域有着广阔的应用前景。
对压力的测量是光纤光栅传感器的重要应用之一。
研究表明，光纤光栅传感特性稳定，是理想的压力传感元件。
经实验证明该光纤光栅压力传感器具有良好的灵敏性、线性和重复性，且有比较快的响应速度。
本文对光纤光栅压力传感技术进行了研究。
关键词光纤布拉格光栅；压力；传感器Optical fiber Bragg grating sensor experimentpressureAbstractThe Fiber Bragg Grating(FBG) is a new fiber-optical device, and is widespread used in fiber-optic communications ,fiber sensing, and so on. At present, the fabrication and application of FBG is the focus and priority of fiber-optical technology studies in the world. Fiber Bragg Grating(FBG) sensor, which uses the property that the Bragg wavelength is sensitive to temperature and strain, is a new kind of fiber optic sensor. In addition to having the same functions as the traditional electric sensors, the FBG sensor also has some special characteristics such as distributed sensing, immune to electromagnetic interference, high precision and long-term stability. So it has widely applicable perspective in many fields such as the structure monitoring of large compound material and concrete, the performance monitoring of the intelligent materials, electrical power industry, medicine industry, chemical engineering etc. Stress measurement is an important kind application of FBG sensing. According to the researches, FBG has stable sensing properties, and it is an ideal kind of stress sensing element. It has been proved by the experiment that the responsibility、linearity and repeatability of the FBG stress sensor are good. Some work done in this paper.Keywords FBG；pressure；sensor目录摘要 (I)Abstract ................................................................................................................ I I第1章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 光纤传感器 (1)1.3 压力传感器 (6)1.4 光纤布拉格光栅压力传感器发展现状 (7)1.5 论文研究内容 (8)第2章光纤光栅的传感原理 (9)2.1 光纤光栅的结构 (9)2.2 光纤光栅的成栅方法 (10)2.2.1 横向干涉法 (10)2.2.2 相位掩膜成栅技术 (10)2.2.3 逐点写入法 (11)2.2.4 在线成栅法 (11)2.2.5 光纤刻槽拉伸法 (12)2.2.6 聚焦离子束写入光纤光栅 (12)2.3 光纤布拉格光栅的传感原理 (12)2.3.1 光纤光栅的温度特性 (13)2.3.2 光纤光栅的应力特性 (14)2.3.3 光纤光栅的压力特性 (15)2.4 本章小结 (16)第3章光纤光栅压力传感实验 (17)3.1 光纤光栅压力传感器的设计要求 (17)3.2 光纤光栅压力传感系统 (17)3.2.1 宽带光源 (17)3.2.2 光耦合器 (17)3.2.3 压力传感器 (18)3.2.4 解调仪 (18)3.3 压力传感器实验原理 (19)3.4 光纤光栅压力传感实验 (19)3.5 本章小结 (21)结论 (22)致谢 (23)参考文献 (24)附录A英文原文 (25)附录B中文译文 (28)第1章绪论1.1课题背景本课题的研究目标是设计一种适用于易燃、易爆和有毒环境下的高精度光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）压力传感系统，使其具备更强的实用能力。
光纤测量_实验报告
一、实验目的1. 理解光纤测量的基本原理和实验方法。
2. 掌握光纤传感器的使用和操作。
3. 通过实验，了解光纤测量在各个领域的应用。
二、实验原理光纤测量技术是利用光纤的物理、化学和光学特性进行各种物理量测量的技术。
光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、防腐性好、灵敏度高等优点，广泛应用于压力、应变、温度、湿度、转速等测量领域。
实验中主要使用的是光纤光栅传感器，其原理是利用光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率、温度、应变等物理量的关系进行测量。
通过测量光栅反射或透射峰的波长变化，可以得到被测物理量的信息。
三、实验仪器与设备1. 光纤光栅传感器2. 光纤光源3. 光纤光栅解调仪4. 温度控制器5. 应变片6. 压力传感器7. 湿度传感器8. 转速传感器9. 实验台四、实验内容1. 光纤光栅温度测量实验（1）将光纤光栅传感器固定在实验台上，连接光纤光源和解调仪。
（2）设置解调仪的测量参数，如波长范围、分辨率等。
（3）调节温度控制器，使温度逐渐升高，记录不同温度下光栅反射峰的波长变化。
（4）分析波长变化与温度的关系，得出温度与波长的转换公式。
2. 光纤光栅压力测量实验（1）将光纤光栅传感器固定在实验台上，连接光纤光源和解调仪。
（2）将应变片贴在实验台上，连接压力传感器。
（3）施加不同压力，记录光栅反射峰的波长变化。
（4）分析波长变化与压力的关系，得出压力与波长的转换公式。
3. 光纤光栅湿度测量实验（1）将光纤光栅传感器固定在实验台上，连接光纤光源和解调仪。
（2）将湿度传感器连接到实验台上。
（3）调节湿度控制器，使湿度逐渐变化，记录光栅反射峰的波长变化。
（4）分析波长变化与湿度的关系，得出湿度与波长的转换公式。
4. 光纤光栅转速测量实验（1）将光纤光栅传感器固定在实验台上，连接光纤光源和解调仪。
（2）将转速传感器连接到实验台上。
（3）调节转速控制器，使转速逐渐变化，记录光栅反射峰的波长变化。
（4）分析波长变化与转速的关系，得出转速与波长的转换公式。
光纤光栅传感实验报告
一、实验目的本次实验旨在了解光纤光栅传感技术的基本原理、工作过程以及其在实际应用中的重要性。
通过实验，掌握光纤光栅传感器的制作方法、传感特性以及传感信号的处理技术，为后续研究光纤光栅传感器在相关领域的应用打下基础。
二、实验原理光纤光栅传感器是一种基于光纤布拉格光栅（FBG）原理的新型传感器。
当外界物理量（如温度、应变、压力等）作用于光纤光栅时，光栅的布拉格波长会发生相应的变化，从而实现物理量的测量。
三、实验仪器与材料1. 光纤光栅传感器实验装置2. 光纤光谱分析仪3. 恒温水浴箱4. 拉伸机5. 氧化铝薄膜四、实验步骤1. 光纤光栅传感器的制作（1）将一根单模光纤切割成一定长度，并利用氧化铝薄膜对光纤进行腐蚀，形成光纤光栅。
（2）将制作好的光纤光栅固定在实验装置上，并进行封装。
2. 温度传感实验（1）将光纤光栅传感器放入恒温水浴箱中，分别设置不同的温度，记录光纤光谱分析仪输出的布拉格波长。
（2）分析温度与布拉格波长之间的关系，绘制温度-波长曲线。
3. 应变传感实验（1）将光纤光栅传感器连接到拉伸机上，施加不同大小的应变，记录光纤光谱分析仪输出的布拉格波长。
（2）分析应变与布拉格波长之间的关系，绘制应变-波长曲线。
五、实验结果与分析1. 温度传感实验实验结果显示，随着温度的升高，光纤光栅传感器的布拉格波长发生蓝移，且蓝移量与温度呈线性关系。
通过拟合曲线，得到温度-波长关系式：$$\Delta\lambda = aT + b$$其中，$\Delta\lambda$为布拉格波长变化量，$T$为温度，$a$和$b$为拟合参数。
2. 应变传感实验实验结果显示，随着应变的增大，光纤光栅传感器的布拉格波长发生红移，且红移量与应变呈线性关系。
通过拟合曲线，得到应变-波长关系式：$$\Delta\lambda = c\epsilon + d$$其中，$\Delta\lambda$为布拉格波长变化量，$\epsilon$为应变，$c$和$d$为拟合参数。
光电检测与显示实验二 光纤光栅传感实验
实验二 光纤光栅传感实验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。
光纤光栅及其传感应用技术中涵概了众多光学基础理论和光通信及光传感理论，也涉及到众多先进的传感技术，无疑这一领域将成为大学教育中培养学生掌握现代科学技术的重要内容。
一、实验目的1. 理解光纤光栅的制作原理；2. 掌握光纤光栅传感的原理；3. 学会使用光纤光栅传感仪软件；4. 使用光纤光栅传感仪测量温度变化对输出波长的影响；5. 使用光纤光栅传感仪测量应力变化对输出波长的影响；二、实验原理1、光纤光栅的基本结构如图1所示。
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，这种光栅称之为布拉格（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：Λ=e f f B n 2λ （1）式中λ B 为Bragg 波长（即光栅的反射波长）， Λ为光栅周期，eff n 为光纤材料的有效折射率。
如果光纤光栅的长度为L ，由耦合模方程可以计算出反射率R 为： ()sL sL s sL A A R i r 22222*2sinh )2/(cosh sinh )0(0βκκ∆+== （2）图2 显示了两条不同反射率的布喇格光纤光栅反射谱，图3为实际的一个布拉格光纤光栅反射谱光纤包层和透射谱。
光纤光栅传感实验
光纤光栅传感实验一、实验目的1. 理解光纤光栅的制作原理；2. 掌握光纤光栅传感的原理；3. 学会使用光纤光栅传感仪软件；4. 使用光纤光栅传感仪测量温度变化对输出波长的影响；5. 使用光纤光栅传感仪测量应力变化对输出波长的影响；二、实验原理光纤光栅传感的基本原理和光纤光栅传感测量的基本原理光纤光栅受温度T 和应变ε同时影响时，光纤光栅峰值波长会发生变化，其相对变化量可以写成：Δλ/λ=(α+ξ)ΔT+（1－Pe ）ε （6）其中α、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，其值α＝0.55×10－6，ξ＝8.3×10－6，即温度灵敏度大约是0.0136 nm /℃，（λ为1550nm ）；Pe 是有效光弹系数，大约为0.22，即应变灵敏度为0.001209 nm /με。
2.1光纤光栅温度传感器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。
如图4。
波长变化量及温度灵敏度分别为（请自行推算）：Δλ/ΔT =（(α+ξ) +（1－P ）（αj －α））λ （7）[Δλ/ΔT =αt ]αt 定义为该温度传感器的温度灵敏度，可由实验获得，大约是αt ＝0.035nm/℃。
由测量到的波长的变化量可计算出温度的变化t-t 0：2.2光纤光栅应变传感器本实验仪的光纤光栅应变传感器是一种悬臂梁应变调谐机构。
应用材料力学原理可以严格计算出光纤光栅的应变，用于模拟环境物理量使光纤光栅产生的应变。
由光纤光栅的应变又可计算出传感光栅的波长变化。
图1光纤光栅示意图出 射 光布喇格光纤光栅 纤芯入射光 反射光光纤包层光纤光栅应变传感器原理图如图5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)(3l dhx l -=ε （8） 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，η＝1－PePe 是光纤有效光弹系数。
光纤光栅传感器试验指引
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）。
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：Λ=eff Bn 2λ (1)式中λ B 称为Bragg 波长， Λ为光栅周期，eff n 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：()sLsL s sL A A R i r 22222*2sinh )2/(cosh sinh )0(0βκκ∆+==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R m 为:⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡Λ∆=eff m n nL R 2t anh 2π (2)图2 Bragg 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22⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆+⎪⎭⎫ ⎝⎛Λ=∆eff BB n n L λλ (3) 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Λ或纤芯折射率eff n 发生变化，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：33()l x dhl ε-=（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Δh 时，应变的变化量Δε及峰值波长的变化量为：h l dx l ∆-=∆3)(3ε （5） (1)e B P λλε∆=-∆ （6)Pe 是光纤有效光弹系数。
由（5）、（6）式，光纤光栅应变变化量Δε，可由波长的变化量λ∆转换计算出来，因此，光纤光栅应变传感的表达式为：()E f λ∆= （7）式（7）反映了波长变化与应变变化的函数关系，可由实验方法测出该关系。
光纤光栅应变传感器实验讲义
实验 光纤布拉格光栅（FBG ）应变实验研究【实验目的】1) 了解光纤光栅传感器基本原理及FBG 应变测量的基本公式。
2) 了解飞机驾驶杆弹性元件的力学特性。
3) 学习光纤光栅应变测量的基本步骤和方法。
【实验原理】1.光纤光栅传感器的基本原理及FBG 应变测量的基本公式光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating, FBG ）用于传感测量技术，主要是通过外界物理量的变化对光纤光栅中心波长的调制来获取传感信息，因此它是一种波长调制型的光纤传感器。
FBG 传感原理如图1所示。
图1中，当一束入射光波进入FBG 时，根据光纤光栅模式耦合理论，当满足满足相位匹配条件时，反射光波即为FBG 的布喇格波长λB ，λB 与有效折射率n eff 和光栅周期Λ的关系为Λ2eff B n =λ （1)由式(1)可以知：n eff 与Λ的改变均会引起光纤光栅波长的改变，而且n eff 与Λ的改变与应变和温度有关。
应变和温度分别通过弹光效应与热光效应影响n eff ，通过长度改变和热膨胀效应影响周期Λ，进而使λB 发生移动。
将耦合波长λB 视为温度T 和应变ε的函数，略去高次项，则由应变和温度波动引起的光纤光栅波长的漂移可表示为Λ∆+∆Λ=∆eff eff B 22n n λ (2)Iλ透射光谱Iλ输入光谱反射光谱 波长漂移λIΛ输入光波反射光波透射光波加载物理量，如应变，温度图1 FBG 传感原理示意图由式(2)可知光纤光栅中心波长漂移量∆λ对轴向应变∆ε和环境温度变化∆T 比较敏感。
通过测量FBG 中心波长的变化，就可测量外界物理量的变化值（如应变、温度等）。
光纤光栅轴向应变测量的一般公式为()ελλe BBz1p -=∆，也是裸光纤光栅轴向应变测量的计算公式。
由上式可知，∆λBz 和ε存在线性关系，因此通过解调装置检测出布拉格波长的偏移量∆λ，就可以确定被测量ε的变化。
2. 飞机驾驶杆弹性元件的力学特性杆力传感器弹性元件采用平行梁形式，其结构如图2所示。
物理实验技术中如何进行光纤光栅实验
物理实验技术中如何进行光纤光栅实验物理实验技术中的光纤光栅实验是一种常见且重要的实验方法，主要用于测量光学系统中的波长、折射率等物理量。
本文将介绍光纤光栅实验的基本原理、实验步骤和结果分析，并探讨在实验中可能遇到的问题和解决方法。
一、光纤光栅实验的基本原理光纤光栅是一种高精度的光学元件，它可以将光束中的不同波长分离出来。
其基本原理是利用光栅的周期性结构和折射率变化来产生光束的衍射效应。
当光束经过光纤光栅时，光束中不同波长的光会在不同的角度上发生衍射，从而分离出来。
二、光纤光栅实验的实验步骤1. 准备工作：首先，需要准备一根光纤和一个光纤光栅。
光纤的选择应根据实验需求确定，常见的有单模光纤和多模光纤。
光纤光栅的选择应根据需要测量的物理量确定，例如，若要测量波长，则应选择具有特定波长特性的光纤光栅。
2. 搭建实验装置：将光纤固定在台架上，并与光源及检测器连接。
将光纤光栅放置在光纤上，并调整其位置，使之与光纤的连接处光线垂直和平行。
确保光源和检测器之间的路径尽可能短，并避免光线的损失。
3. 调整实验参数：根据实验需要，调整光源的强度和波长，以及检测器的灵敏度。
通过改变光源的波长，可以测量不同波长的光，并获取其衍射光谱。
4. 进行实验测量：打开光源和检测器，记录检测器接收到的光信号强度。
通过改变光源的波长或调整光纤光栅的位置，可以观察到不同波长的光在检测器上的变化。
5. 分析实验结果：根据实验记录，绘制光谱图，并计算出相关的物理量。
根据实验需要，还可以进行光谱拟合或数据处理，以获得更准确的结果。
三、光纤光栅实验的结果分析在光纤光栅实验中，根据实验结果的不同，可以得到不同的信息。
例如，通过测量光纤光栅的衍射光谱，可以确定光栅的周期和衍射效率，从而计算得到光纤的折射率。
此外，光纤光栅实验还可以用于测量光源的波长和光谱特性。
通过改变光源的波长，可以观察到不同波长的光在光纤光栅中的衍射效果，并根据衍射光谱得到波长的测量结果。
实验-光纤光栅温度传感
实验名称 光纤光栅温度传感实验一 实验目的1、了解在光纤的纤芯中制作光栅的基本方法（光纤光栅的制作）；2、掌握光纤光栅信号传输的原理；3、掌握光纤光栅温度传感的原理；4、进一步掌握新的光纤光栅布喇格波长的检测方法（长周期光纤光栅线性滤波解调方法）；5、掌握普通光纤光栅温度传感的优点及其适用范围。
二 实验仪器ASE 自发辐射宽带光源，光纤跳线，法兰盘，光谱仪（单模通信光纤接口），光纤耦合器（测反射谱峰值时用，测透射谱峰值不需要），温度控制仪（模拟实际测量温度场），光纤熔接机（代价大，仅限备用）三 实验原理1. 光纤布喇格光栅原理光纤布喇格光栅的原理是由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式祸合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性，图1表示了其折射率分布模型。
整个光纤曝光区域的折射率分布可表示为：1121232[1(,,)] r (,,) r rn F r z a n r z n a a n a ϕϕ⎧+≤⎪=≤≤⎨⎪≥⎩ （1）式中 F(r,φ,z ）为光致折射率变化函数，具有如下特性：1(,,)(,,)n r z F r z n ϕϕ∆=maxmax 1(,,) (0)n F r z z L n ϕ∆=<< (,,)0 ()F r z z L ϕ=>式中 a 1 为光纤纤芯半径；a 2为光纤包层半径，相应的n 1为纤芯初始折射率；n 2为包层折射率；△n(r,φ,z ）为光致折射率变化；△n max 为折射率最大变化量。
因为制作光纤光栅时需要去掉包层，所以这里的n 3一般指空气折射率。
之所以式中出现r 和φ坐标项，是为了描述折射率分布在横截面上的精细结构。
图1 光纤光栅折射率分布示意图为了给出F(r,φ,z ）的一般形式，必须对引起这种折射率变化的光波场进行详尽分析。
目前采用的各类写入方法中，紫外光波在光纤芯区沿径向的光场能量分布大致可分为如下几类：均匀正弦型、非均匀正弦型、均匀方波型和非均匀方波型。
光纤光栅温度传感器 报告
波长调制型光纤温度传感器《光纤传感测试技术》课程作业报告提交时间：2011年10月27 日1 研究背景 （执笔人： ）被测场或参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变，进而通过测量光波长的变化来确定北侧参量的传感方法即为波长调制型光纤传感器。
光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。
基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长B λ的调制来获取传感信息，其数学表达式为：2B eff n λ=Λ式中：eff n 为纤芯的有效折射率；Λ是光栅周期。
这是一种波长调制型光纤温度传感器，它具有一下明显优势：（1）抗干扰能力强。
由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。
这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感，具有很高的可靠性和稳定性。
（2）传感探头结构简单，体积小，重量轻，外形可变，适合埋入大型结构中测量结构内部的应力 、应变及结构损伤，稳定性、重复性好，适用于许多应用场合，尤其是智能材料和结构。
（3）测量结果具有良好的重复性。
（4）便于构成各种形式的光纤传感网络。
（5）可用于外界参量的绝对测量。
（6）光栅的写入技术已经较为成熟，便于形成规模生产。
（7）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。
由于以上优点，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检测以及能源化工等领域得到了广泛的应用。
但是它也存在一些不足之处。
因为光纤光栅传感的关键技术在于对波长漂移的检测，而目前对波长漂移的检测需要用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件，需大功率的宽带光源或可调谐光源，其检测的分辨率和动态范围也受到一定的限制等。
光纤布拉格光栅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，作为检测材料的结构和载荷，探测其损伤的传感器。
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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）。
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：
Λ=eff B
n 2λ (1)
式中λ B 称为Bragg 波长， Λ为光栅周期，eff n 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：
()sL
sL s sL A A R i r 2222
2*2
sinh )2/(cosh sinh )0(0βκκ∆+==
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R m 为:
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡Λ∆=eff m n nL R 2t anh 2
π (2)
图2 Bragg 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
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛∆+⎪⎭⎫ ⎝⎛Λ=∆eff B
B n n L λλ (3) 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Λ或纤芯折射率eff n 发生变化，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
3()l x dh
l ε-=
（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Δh 时，应变的变化量Δε及峰值波长的变化量为：
h l d
x l ∆-=
∆3
)(3ε （5） (1)e B P λλε∆=-∆ （6)
Pe 是光纤有效光弹系数。
由（5）、（6）式，光纤光栅应变变化量Δε，可由波长的变化量λ∆转换计算出来，
因此，光纤光栅应变传感的表达式为：
()E f λ∆= （7）
式（7）反映了波长变化与应变变化的函数关系，可由实验方法测出该关系。
只要将波长调谐灵敏度λβ测出，（7）式就可以用来测量应变了。
【实验任务】
光纤光栅应变传感实验，通过实验测量出（7）式所表示的应变传感器表达式，绘出传感特征曲线，计算出波长调谐灵敏度。
1． 方法与步骤
（1）按图5连接光路，打开测试单元（大）电源。
图4实验线路图
图5实物连线图
（2）将传感单元（小）螺旋测微计旋至靠里边某一位置，读下此时刻度Kε。
（此操作为让传感光栅产生一个应变量，将会有一个与应变相关的波长反射至测试单元。
）（3）将测量单元的螺旋测微计从内向外慢慢旋转，同时观察数显表中电压值的变化。
随着螺旋测微计慢慢外旋，电压值会按“小—大—小”变化，如果把这些数值与对应的刻度绘图，会得到一个波形图（如图6）。
仔细调节螺旋测微计将电压调至最大的波形峰值点，记录此时螺旋测微计刻度Kλ。
（此操作为用波长扫描的方法寻找反射光的峰值波长。
）
图6电压对应与刻度的波形图
（4）将传感单元（小）螺旋测微计向外旋0.250mm，读下此时刻度Kε。
（5）重复（3）－（5）步骤6次，测量数据填入下表：
（6）将Kλ代入公式λ=λ0+β* Kλ计算波长λ，再将λ和Kε代入公式△E=βε*Kε/(0.78*λ)，计算应变改变量E。
（其中β=-0.3767，λ0=1554.4，βε=-0.4）（7）完成上表6次测量和计算，绘图表示应变变化量△E与波长λ的关系。
并求出该函数.(提示：不是线性关系,请思考是什么关系？如何拟合曲线？)
2．注意事项：
光纤光栅非常脆弱，容易损坏，操作螺旋测微计时动作要轻、慢，防止损坏！！！。