光纤布拉格光栅应变传感器的低温特性

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布拉格与长周期光纤光栅及其传感特性研究

布拉格与长周期光纤光栅及其传感特性研究随着科技的发展，光纤传感技术在各个领域中得到了广泛应用。

光纤光栅作为一种重要的光纤传感元件，具有较好的实时性、远距离传输能力和高灵敏度等优点，在医学、工程、环境监测等领域中具有广泛的应用前景。

本文将对布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅及其传感特性进行研究探讨。

首先，我们来了解布拉格光纤光栅。

布拉格光纤光栅由一种周期性的折射率变化构成，可以将输入的连续光信号分成几个离散的波长成分。

通过调控光纤光栅的参数，如折射率调制和周期调制，可以实现对光信号的各种参数的测量。

布拉格光纤光栅传感器的工作原理是利用光纤光栅对周围环境参数的敏感性，通过监测光纤中散射光的强度变化来获得环境参数的相关信息。

布拉格光纤光栅的传感特性主要包括灵敏度、选择性和可靠性。

灵敏度是指传感器对测量目标的响应能力，通过优化光纤光栅结构可以提高传感器的灵敏度。

选择性是指传感器对目标参数的独立测量能力，通过优化光纤光栅的周期和谐振峰可以实现对不同目标参数的选择性测量。

可靠性是指传感器的稳定性和重复性，通过合理选择光纤材料和加工工艺可以提高传感器的可靠性。

接下来，我们来了解长周期光纤光栅。

长周期光纤光栅是一种周期大于波长的光纤光栅，其中周期通常为微米或毫米量级。

长周期光纤光栅的传感特性与布拉格光纤光栅有所不同。

长周期光纤光栅主要应用于抑制或增强特定频率的光信号，具有压力、温度和湿度等参数的敏感性。

长周期光纤光栅的传感特性主要包括增强系数、复合增强系数和等效折射率。

通过调节长周期光纤光栅的参数，如周期、长度和材料等，可以实现对光信号的不同频率成分的调制和增强或抑制。

最后，我们来探讨布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅在传感领域的应用。

布拉格光纤光栅主要应用于光纤传感器、光纤通信和光纤激光等领域。

在光纤传感器领域，布拉格光纤光栅可以实现对温度、压力、应变、湿度等参数的实时测量。

在光纤通信领域，布拉格光纤光栅可以实现光纤传感器的远距离传输和分布式传感。

光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理

光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理光纤布拉格光栅传感器，简称FBG传感器，这可是个神奇的东西哦！它不仅可以测量温度，还能测量应变，简直就是个万能的小助手。

今天，我就来给大家聊聊这个神奇的小家伙是怎么工作的，让我们一起揭开它的神秘面纱吧！我们来了解一下FBG传感器的基本结构。

它是由一系列周期性折射率不同的光纤组成的，这些光纤就像一根根细细的琴弦，当光线通过它们时，会发生折射现象。

而这种折射现象正是FBG传感器测量温度和应变的关键所在。

FBG传感器是如何测量温度的呢？其实，这就要靠那些神奇的光纤了。

当阳光或者光源照射到光纤上时，光纤中的原子会吸收一部分光线，使得光线在光纤内部发生反射。

而反射回来的光线经过多次反射后，最终到达了FBG传感器的检测器。

检测器会根据反射光线的强度和时间变化来计算出光纤的温度。

是不是很厉害啊！我们再来聊聊FBG传感器是如何测量应变的。

其实，这也是利用了光纤的折射现象。

当FBG传感器受到外力作用时，光纤会发生形变，从而导致折射光线的变化。

而这种变化又被检测器捕捉到，从而计算出了应变的大小。

是不是感觉FBG传感器就像一个神奇的变形金刚一样，可以感知到周围的变化呢！FBG传感器有哪些应用呢？其实，它的应用范围非常广泛。

在建筑行业中，它可以用来检测混凝土的结构变化；在医疗行业中，它可以用来监测人体的生理指标；在汽车制造行业中，它可以用来检测车身的变形情况。

只要有需要测量温度和应变的地方，FBG传感器都可以派上用场哦！当然啦，虽然FBG传感器非常神奇，但它也有一些局限性。

比如说，它的灵敏度有限，不能用来检测非常微小的应变；而且，它的精度也有一定的误差。

随着科技的发展，相信这些问题都会得到解决的。

今天关于光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理就给大家介绍到这里了。

希望对大家有所帮助哦！下次再见啦！。

光纤Bragg光栅温度和应变传感特性的试验研究

郑卜祥宋永伦张东生吴，，
，
安姜德生，
４０７）３００
０１４２武湖（．京工业大学机械工程与应用电子技术学院，京１０２；．汉理工大学光纤传感技术中心，北武汉１北北
摘要：在光纤Ｂａｇ光栅传感原理的理论分析基础上，ｒｇ采用保温装置和等强梁结构对其温度和应变传感特性进行了试验研究，并做了试验结果的误差分析。其结果表明光纤光栅的Ｂａｇ波长随温度和轴向应变的变化呈现出良好的线性ｒｇ
ＥｘｅｉｅｔｌＳｕｙ０ｍｐｒｔｒｎｔａｎＳｎｉｇｐｒｍｎａｔｄｎＴｅｅａｕｅａｄＳｒｉｅｓｎＣｈｒｃｅｉｔｃｆＦｉｅａｇＧｒｔｇａａｔｒｓｉｓｏｂｒＢｒｇａｉｎ
２００８正
仪表技术与传感器
ＩｓｒｍｅｔＴｃｎｑｅａｄＳｎｏｎｔｕｎｅｈｉｕｎｅｓｒ
２００８
Ｎｏ．１１
第１１期
光纤Ｂａｇ光栅温度和应变传感特性的试验研究ｒｇ
２ｐｉａＦｂｒＳｎｉｇＴｃｎｌｇｅｅｒｈＣｎｅ，ｈｎＵｉｅｓｙｏｅｈｏｇ，ｈｎ４０７，ｈｎ）．ＯｔｌｉｅｅｓｅｈｏｏｙＲｓａｃｅｔｒＷｕａｎｖｒｔｆｃｎｌｙＷｕａ３００ＣｉａｃｎｉＴｏＡｓａｔＯｅｂｓｆｈｅｒｔａａａｓｆｂｒＢａｇｇｔｇ（Ｂｂｔｃ：ｎｔａｉｏｔｔｏｅｃｌｎｙｉｏｆｅｒｇｒｉＦＧ）ｓｎｉｇｐｉｉｅｔｐｒｔｅｎｔｉｓｎｉｇｒｈｓｅｈｉｌｓｉａｎｅｓｒｃｌ，ｅｅａｒｄｓａｅｓｎｎｐｍｕａｒｎｎ

光纤布拉格光栅温度传感特性与实验研究

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弹光效应。为了能得到光纤布拉格光栅温度传感更详细
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维普资讯
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由耦合模理论可知，纤布拉格光栅的中心反光射波长应满足Ｊ
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抗干扰能力，且易于采用波分复用、并时分复用和空间复用技术构成光纤光栅智能传感网络，现分布式实多点实时在线传感，广泛用于温度、力、变等物理应应量的测量。随着光纤光栅各项技术的发展，其成本也
将更加富有市场竞争力，因此具有广阔的前景。
摘
要：从光纤布拉格光栅温度传感模型出发，对光纤布拉格光栅温度传感的理论进行了分析，通过实验对裸光栅的并
温度特性进行了研究，推导出了光纤布拉格光栅温度传感的一阶有效线性灵敏度系数的解析式。实验结果表明，纤光栅在光所测温度范围内具有良好的线性特性，与理论结果基本一致。表明光纤光栅温度传感的理论模型具有良好的实验基础。关键词：光纤布拉格光栅；温度传感；光纤传感器

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。

光栅布拉格光栅及其传感特研究

光栅布拉格光栅及其传感特研究光栅布拉格光栅是一种利用光栅原理实现布拉格散射的光学元件，可以用于光谱分析、光纤传感、催化表征等领域。

近年来，光栅布拉格光栅的传感特性研究日益受到关注，本文将对其传感特性研究进行整理。

光栅布拉格光栅的基本原理是利用布拉格散射原理，通过空间周期性的光栅结构，将入射光束分为不同的衍射光束，使得具有特定波长的光发生相互干涉，从而产生干涉光谱。

其中，布拉格条件是指入射角和衍射角满足一定关系的条件，通常表示为nλ = 2d sinθ，其中n为衍射级次，λ为入射光波长，d为光栅常数，θ为入射角。

光栅布拉格光栅的传感特性主要有以下几个方面：1.光谱分辨率：光栅布拉格光栅可以通过调整光栅周期或入射角来实现不同光谱分辨率的要求。

传感应用中，高光谱分辨率可以实现对目标物质的精确检测和定量分析。

2.灵敏度：光栅布拉格光栅具有很高的灵敏度，可以实现微量物质的检测。

当目标物质与敏感层相互作用时，会导致光栅常数的改变，从而改变入射角，进而改变光谱分布。

通过对光谱分布的测量，可以获得目标物质的浓度信息。

3.实时监测：光栅布拉格光栅可以实现快速、实时的监测。

传统的分析方法通常需要时间较长的化学反应或显微分析，而光栅布拉格光栅可以通过光束的干涉模式来实现即时反馈。

4.多参数测量：光栅布拉格光栅可以通过调整光栅的几何尺寸、材料和敏感层来实现多参数测量。

例如，通过改变光栅常数，可以实现对不同物质的浓度、温度、压力等参数的测量。

5.光纤传感：光栅布拉格光栅可以与光纤结合，实现远程传感。

通过将光栅布拉格光栅集成到光纤中，可以在光纤中传播的光束进行传感，并将传感信号返回到远程检测设备中进行分析。

总之，光栅布拉格光栅具有高分辨率、高灵敏度、实时监测、多参数测量和光纤传感等特点，适用于光谱分析、光纤传感和催化表征等领域。

随着对其传感特性研究的深入，光栅布拉格光栅在传感技术领域的应用前景将更加广阔。

FBG光纤光栅的应变和温度传感特性研究与实验验证讲解

光纤光栅的应力和温度传感特性研究 (1)一光纤光栅传感器理论基础 (1)1 光纤光栅应力测量 (1)2 光纤光栅温度测量 (2)3 光纤光栅压力测量 (3)二光纤光栅传感器增敏与封装 (4)1 光纤光栅的应力增敏 (4)2 光纤光栅的温度增敏 (5)3 光纤光栅的温度减敏 (5)4 嵌入式敏化与封装 (6)5 粘敷式敏化与封装 (7)三光纤光栅传感器交叉敏感问题及其解决方法 (9)1 参考光纤光栅法 (10)2 双光栅矩阵运算法 (10)3 FBG与LPFG混合法 (11)4 不同包层直径熔接法 (12)5 啁啾光栅法 (12)光纤光栅的应力和温度传感特性研究一光纤光栅传感器理论基础1 光纤光栅应力测量由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：2B eff n λ=Λ (1)式中：eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的固有周期。

当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回去。

由公式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。

FBG 对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化来影响B λ，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。

当光纤光栅仅受应力作用时，光纤光栅的折射率和周期发生变化，引起中心反射波长B λ移动，因此有：effBBeffn n λλ∆∆∆Λ=+Λ (2) 式中：eff n ∆为折射率的变化，∆Λ为光栅周期的变化。

光栅产生应力时的折射率变化：()21211112eff eff e effn n P P P n μμεε∆=---=-⎡⎤⎣⎦ (3) 式中：()21211112e eff P n P P μμ=--⎡⎤⎣⎦ (4) ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，11P 、12P 是弹光系数，e P 是有效弹光系数。

假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。

两种封装的光纤光栅温度传感器的低温特性

Ｔｈｅｅｔｍｐｅａｕｒｅｉｉｅｆｃｏｓｏｈｅｓｎｏｓｗｅｅｄｒｖｄａａｙｉａｌｎｄｖｒｆｅｙｅｅｉｎｓｒｔｅｓｎｓｔｖａｔｒｆｔｅｓｒｒｅｉｅｎｌｔｃｌｙａｅｉｉｄｂｘｐｒｍｅｔ．ＴｈｘｐｒｍｅｔｒｓｔｆｔｎｆＦＢＧｅｅａｕｅｓｎｓｒｎｉｅｉａｏｎｔｏｒｏｅｅｅｉｎｅｕｌｓｏＷＯｋｉｄｓｏｔｍｐｒｔｒｅｏｓｉｄｎｔｃｌｃｄｉｉｎｓｗｅｅｃｍｐａｅｒｄｂｙａｌｚｎｇｔａｉｔｏｒｉｓｏｆｃｎｔｒｗａｅｅｔｒｍ一７ｎａｙｉｈｅｖｒｅｙｐｒｐｅｔｅｅｅｖｌｎｇｈｆｏ０℃ ｔｏ０℃ ．Ｆｒｍｈｅｅｅｉｎａｏｔｘｐｒｍｅｔｌｒｓｌｓ，ｔｉｈｏｈｔｈｅｃｎｔｒｅｕｔｉｓｓｗｎｔａｔｅｅｗａｅｅｔｆＦＢＧｔｍｐｅａｕｅｅｏｗｉｈｔｎｔｉｌｓｔｅｖｌｎｇｈｏｅｒｔｒｓｎｓｒｔｈｉｓａｎｅｓｓｅｌｔｅｐａｋｇｅｆｌｓｓａｐｌｕｂｃａａｌｈｒｙａｔ一６０℃ ：ｗｈｌｈｅｅｉｅｙｇｏｄｌｎａｉｙａｒｆｒｂｌｅａａｉｉｙｉｅｔｒｓａｖｒｏｉｅｒｔｎｄｐｅｅａｅｒｐｅｔｂｌｔｂｅｗｅｎｔｅｅｖｅｅｇｔｆＦＢＧｔｌｃａｎｔｅｔｅｈｅｃｎｔｒｗａｌｎｈｏｗｉｈｇｏｄｐａｋｇｅｉｈｅｔｍｐｅａｕｒｈａｇｒｍ一７ｒｔｅｃｎｅｆｏ０℃ ｔｏ

光纤光栅的应变和温度传感特性研究

光纤光栅的应力和温度传感特性研究 (1)一光纤光栅传感器理论基础 (1)1 光纤光栅应力测量 (1)2 光纤光栅温度测量 (2)3 光纤光栅压力测量 (3)二光纤光栅传感器增敏与封装 (3)1 光纤光栅的应力增敏 (4)2 光纤光栅的温度增敏 (4)3 光纤光栅的温度减敏 (5)4 嵌入式敏化与封装 (5)5 粘敷式敏化与封装 (7)三光纤光栅传感器交叉敏感问题及其解决方法 (9)1 参考光纤光栅法 (10)2 双光栅矩阵运算法 (10)3 FBG 与LPFG 混合法 (11)4 不同包层直径熔接法 (12)5 啁啾光栅法 (12)光纤光栅的应力和温度传感特性研究一光纤光栅传感器理论基础1 光纤光栅应力测量由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：2B eff n λ=Λ (1)式中：eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的固有周期。

当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回去。

由公式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。

FBG 对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化来影响B λ，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。

当光纤光栅仅受应力作用时，光纤光栅的折射率和周期发生变化，引起中心反射波长B λ移动，因此有：eff BB effn n λλ∆∆∆Λ=+Λ (2) 式中：eff n ∆为折射率的变化，∆Λ为光栅周期的变化。

光栅产生应力时的折射率变化：()21211112effeff e effn n P P P n μμεε∆=---=-⎡⎤⎣⎦ (3) 式中： ()21211112e eff P n P P μμ=--⎡⎤⎣⎦ (4) ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，11P 、12P 是弹光系数，e P 是有效弹光系数。

假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。

基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法研究

基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法研究文章标题：基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法研究一、引言基于光纤光栅传感器的低温应变测量方法在航空航天、军事装备、核能设施等领域具有重要的应用价值。

然而，在低温环境下，光纤光栅传感器的温度特性可能会对应变测量结果产生较大的影响，因此需要进行温度补偿处理。

本文将就基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法展开深入探讨。

二、光纤光栅传感器原理及其在低温应变测量中的应用光纤光栅传感器是一种利用光纤中的光栅结构对光信号进行调制和检测的传感器，其原理是通过测量光栅结构的变化来实现对应变的监测。

在低温应变测量中，由于光纤光栅传感器的高灵敏度和免受电磁干扰的特点，被广泛应用于低温环境下的应变监测。

三、光纤光栅传感器温度特性对低温应变测量的影响在低温环境下，光纤光栅传感器的温度特性会对其测量结果产生影响。

低温会导致光纤光栅传感器的本征特性发生变化，影响其对应变的响应；另低温环境中的温度梯度和热应力也会对光纤光栅传感器的性能造成影响。

对光纤光栅传感器的温度特性进行准确补偿，是确保低温应变测量准确性的关键。

四、基于光纤光栅传感器的温度补偿算法研究针对光纤光栅传感器在低温环境下的温度补偿问题，研究人员提出了多种温度补偿算法。

其中，采用光纤光栅传感器自身的温度响应特性进行建模，并结合温度传感器对光纤光栅传感器进行实时温度补偿是一种较为常见的方法。

还有基于信号处理和数据分析的温度补偿算法，通过对原始数据进行处理和分析，消除温度对测量结果的影响。

五、研究现状及发展趋势目前，基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法已经取得了一定的进展，但仍存在一些问题和挑战。

对光纤光栅传感器温度特性的建模和补偿算法的精度有待进一步提高，对温度梯度和热应力的影响机制还需深入研究。

未来，随着光纤光栅传感器技术的不断发展和完善，基于光纤光栅传感器的低温应变测量方法将更加准确和可靠。

六、个人观点及总结在本文的研究过程中，笔者认为基于光纤光栅传感器的低温应变测量方法具有重要的理论和应用意义。

镀金光纤光栅温度传感器的低温特性

第28卷　第2期低温物理学报Vol .28,No .22006年5月CH I N ESE JOURNAL OF LOW TE MPERAT URE PHYSI CSM ay 20063国家自然科学基金(项目编号:50179029)资助的课题.收稿日期:2005211228;修回日期:20062022151镀金光纤光栅温度传感器的低温特性3郭明金姜德生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,武汉430070介绍了用相位掩膜方法制作光纤布拉格光栅(F BG )以及镀金的F BG 温度传感器.通过实验研究了-70℃～0℃之间的裸F BG 和镀金F BG 温度传感器的中心波长低温变化特性.实验结果表明裸F BG 和镀金F BG 温度传感器的中心波长在-70℃～0℃的区间随温度线性变化,重复性较好并且几乎没有迟滞现象.裸光纤布拉格光栅和镀金F BG 温度传感器的温度灵敏系数K T 分别为0.0101n m /℃和0.0283n m /℃.并且它们的线性拟合度都超过0.999.关键词:导波与光纤光学,光纤布拉格光栅,相位掩膜,封装工艺,低温特性PACC:0720M ,4280L,4281P1引　言光纤布拉格光栅(F BG )是20世纪90年代以来国际上新兴的一种基础性光纤器件.由于光纤布拉格光栅具有抗电磁干扰、体积小、重量轻等诸多优点[1～4],因此它非常适合于恶劣飞行环境中对飞机的温度、压力、燃料液位等多物理量参数的监测.近年来,很多专家学者对光纤光栅的温度传感特性进行了研究.日本的Norit omo [5]等人将光纤光栅布置于热电偶传感腔内,研究其没有应变下的温度传感能力;新加坡的Murukeshan [6]等人用光纤光栅研究了复合材料固化过程的温度特性;中国的ZHANG Xiao 2jing [7]等人对光纤布拉格光栅温度灵敏性进行了研究和B iW ei 2hong[8,9]等人研究了分布式光纤布拉格光栅实现应变和温度的同时测量.但是,这些研究大多集中于光纤布拉格光栅温度传感器常温时谐振波长随温度变化的特性,虽然有研究者研究了光纤布拉格光栅温度传感器的零度以下的温度特性,但研究的最低温度也不低于-30℃,-30℃以下光纤布拉格光栅温度传感器的温度特性几乎没有报道.而飞机在日常训练和战斗飞行时,经常有达到-55℃以下温度的过冷气流,这对光纤布拉格光栅温度传感器低温特性提出了需求.因此,研究光纤布拉格光栅温度传感器-30℃～-70℃时谐振波长随温度变化的特性显得非常重要.本文将对裸F BG 和镀金F BG 温度传感器低温时中心波长随温度变化的特性进行理论和实验分析,为光纤布拉格光栅温度传感器在飞机低温飞行环境中的使用提供依据.2光纤布拉格光栅制备与封装光纤布拉格光栅是基于光纤的光敏特性制成的,利用紫外光就可以将一些特定的光波导结构写入光纤中,形成光纤型光波导器件.目前最有效的、应用最多的一种光纤布拉格光栅制作方法是相位掩膜法.相位掩膜写入法制备的光纤布拉格光栅周期为掩膜光栅周期的一半,与入射光无关,因此对光源的相干性要求不高,并且稳定、易于准直,重复性好,可以简化光纤布拉格光栅的制作系统.由纯石英组成的光纤在低温环境中具有较低的热膨胀系数同时又特别脆弱,直接将其作为传感器会遇到许多的难题.因此用裸光纤布拉格光栅来测量低温非常困难,可以采用热膨胀系数大的材料来封装光纤布拉格光栅以提高光纤布拉格光栅传感器的温度灵敏度.所以采用热膨胀系数大的金镀在光纤布拉格光栅表面制作了一种小尺寸的光纤布拉格光栅温度传感器,它的封装形式如图1所示.采用化学镀与电镀相结合的方法在光纤布拉格光栅上镀金,镀金层的厚度约为10μm.镀金的过程分为光纤预处理,再经过一定的热处理后,进行化学镀镍,最后镀金,以获得满足温度传感器要求的镀金层,其中光纤预处理过程包含除油、敏化、活化等,目的是让光纤表面获得能够进行化学镀的活化表面.图1　镀金光纤布拉格光栅温度传感器示意图镀金的光纤布拉格光栅温度传感器都需要进行老化处理,首先将温度传感器放置在一定温度的烘箱中恒温处理几十个小时.目的是使中心波长和树脂稳定,然后从烘箱中取出冷却到室温并存放一定的时间后,再将光纤布拉格光栅放入烘箱中恒温几十分钟,重复上述的步骤十几次,目的是除去残余应力和让温度传感器老化.这样处理后的光纤布拉格光栅温度传感器的中心波长与老化前相比较,应不大于0.2n m.3实验结果与讨论3.1　实验原理当一束光进入光纤布拉格光栅时,根据光栅理论,对满足布拉格条件的光波产生反射,该光波的波长称为光纤布拉格光栅的中心波长λB ,光纤布拉格光栅的中心波长λB 与折射率和光栅周期的关系为λB =2n effΛ(1)式中,n eff 为纤芯有效折射率;Λ为光栅的调制周期.由式(1)可以看出:n eff 与Λ的改变均会引起反射光波长的改变.当光纤布拉格光栅的外界环境发生变化的时候,就有可能导致光纤布拉格光栅的中心波长随着温度变化的特性.由于光纤材料的热光效应,光纤布拉格光栅的周期也发生变化,从而导致n eff 和Λ的变化,最终导致光纤布拉格光栅波长的漂移.不考虑波导效应,在λB =2n eff Λ两边对温度取导数,可得dλ=2(Λd n /d T +n d Λ/d T )d T (2)用λB =2n eff Λ除上式,可得d λλ=1n d n d T +1Λd Λd Td T (3) 令1n d n d T=ξ,即为热光常数;1ΛdΛd T =α,即为热膨胀系数,从而可以得到dλλ=(ξ+α)d T (4) 令K T =λ(ξ+α),K T 为光纤布拉格光栅温度传感的灵敏度系数,由此可得Δλ=K T ΔT (5) 式(5)即为假定没有外力作用时裸光纤布拉格光栅中心波长与温度的关系.对于光纤为纯石英的情况,通常有:α≈0.55×10-6/℃,ξ≈6.67×10-6/℃,对于中心波长在1300n m 的光纤布拉格光栅,其温度灵敏系数K T 约为0.0094n m /℃.但是,由于采用的光纤、光纤光栅写入工艺以及退火工艺的差别,光纤布拉格光栅的温度敏感特性会有所不同.光纤布拉格光栅封装后,封装材料会极大地改变光纤布拉格光栅的传感特性.若用αs 表示封装材料的热膨胀系数,则封装后的光纤布拉格光栅温度传感器的温度响应可表示为K T =Δλ/ΔT =λ[ξ+α+(1-P e )(αs -α)](6)这里P e =(n 2eff /2)[P 12-υ(P 11+P 12)]为光纤的有效弹光系数,其中P 11和P 12为光纤的弹光系数,υ为泊松比,对于纯石英光纤,P e ≈0.22.本文选用的封装材料的热膨胀系数远大于光纤材料本身的热膨胀系数,即满足αs µα,因此(6)可简化为K T =λ[ξ+(1-P e )αs ](7)则光纤布拉格光栅温度传感器温度灵敏系数K T 是一个与封装材料热膨胀特性有关的常数.选用的封装材料的热膨胀系数为19×10-6/℃左右,理论计算值K T 为0.0287nm /℃,约是裸光纤布拉格光栅的3.1倍.3.2　实验仪器和过程本次实验采用的是温度升降程序控制器,温度升降程序控制器的测量精度为±0.5℃.采用的光纤布拉格光栅长度为10mm ,裸光纤布拉格光栅和镀金的F BG 温度传感器中心波长分别为1299.782nm 、1286.424n m.光纤布拉格光栅中心波长识别系统采用理工光科公司生产的BG D -L20C 光纤布拉格光栅调制解调器,该仪器波长分辨率为几个pm 左右,扫描范围为1280～1305nm ,扫描频率为几赫兹,其工作环境温度为-10℃～40℃.裸光纤布拉格光栅和镀金的F BG 温度传感器的低温特性的实验装置如图2所示.实验时,将裸光纤布拉格光栅和镀金的F BG 温度传感器放入温931第2期郭明金等:镀金光纤光栅温度传感器的低温特性度升降程序控制器中.温度升降程序控制器的温度控制为0℃～-70℃.我们做了8次0℃到-70℃再回到0℃的循环实验.最初做降温过程实验,以0℃作为温度起始点,控制温度升降程序控制器的温图2　光纤布拉格光栅的低温特性的实验置表1　裸光纤光栅的波长与温度对应值温度/℃降温时波长值/n m升温时波长值/n m 01299.5421299.549-51299.4881299.483-101299.4341299.426-151299.3871299.394-201299.3311299.323-251299.2781299.285-301299.2371299.229-351299.1781299.185-401299.1321299.127-451299.0861299.094-501299.0311299.022-551298.9891298.979-601298.9361298.941-651298.8791298.867-701298.8351298.835表2　镀金FBG温度传感器的波长与温度对应值温度/℃降温时波长值/n m升温时波长值/n m 01285.8071285.801-51285.6611285.646-101285.5161285.507-151285.3471285.334-201285.1851285.173-251285.0111284.998-301284.8821284.873-351284.7511284.744-401284.6011284.587-451284.4791284.474-501284.3781284.369-551284.2031284.212-601284.1041284.099-651283.9471283.955-701283.8101283.810度,使控制器内的温度逐渐降低,每降低5℃,让控制器保持恒定温度10分钟左右,温度降到-70℃后停止降温接着升温,升温过程同样是每5℃升一次,在每个温度点让控制器保持恒定温度10分钟左右,温度最后升高到0℃.同时借助通用的光纤FC/ APC跳线头接头与光纤布拉格光栅调制解调器相连,通过RS232与计算机通讯,裸光纤布拉格光栅和镀金的F BG温度传感器的中心波长随温度变化的信息可以在计算机中显示并打印.由于篇幅的原因,我们取8次读数的平均值作为测量结果,得到了两组实验分析的数据,实验数据列表如表1和表2.3.3　实验结果和分析裸光纤布拉格光栅在-70℃～0℃之间的中心波长随温度变化曲线如图3所示.从裸光纤布拉格光栅的中心波长随温度变化曲线的关系图中不难发现在升温过程与降温过程中光纤布拉格光栅的中心波长随温度变化具有良好的线性和重复性,相关系数均达0.999以上,并且几乎没有迟滞现象.另外裸光纤布拉格光栅的波长与温度的拟合方程式分别为λB=0.0101T+1299.536于是裸光纤布拉格光栅相应的温度传感灵敏度系数KT的平均值为0.0101nm/℃.图3　裸F BG在-70℃～0℃其中心波长随温度变化曲线镀金的光纤布拉格光栅温度传感器在-70℃～0℃之间的其中心波长随温度变化曲线如图4所示.图4　镀金F BG温度传感器在-70℃～0℃其中心波长随温度变化曲线从图4中不难发现在升温过程与降温过程中镀金的光纤布拉格光栅温度传感器的中心波长随温度变化具有良好的线性和重复性,相关系数均达0.999以041低温物理学报第28卷上,并且几乎没有迟滞现象.另外光纤布拉格光栅温度传感器的波长与温度的拟合方程式分别为λB =0.0283T +1285.773于是镀金的F BG 温度传感器相应的温度传感灵敏度系数K T 的平均值为0.0283nm /℃.裸光纤布拉格光栅和镀金后的光纤布拉格光栅温度传感器的灵敏度系数K T 分别为0.0101n m /℃和0.0283n m /℃,而理论分析值分别为0.0094n m /℃和0.0287n m /℃.裸光纤布拉格光栅灵敏度系数实际值比理论值略高,可能是裸光纤布拉格光栅测量或移动的过程中受到一定外力作用的影响、光纤纤芯和折射率假定不变以及没有考虑温度对F BG 的中心波长的影响;镀金光纤布拉格光栅温度传感器灵敏度系数的实验值比理论值低,它们的差异主要是由于光纤布拉格光栅比封装材料软,两者之间非刚性连接或者存在间隙;同时光纤布拉格光栅与封装材料热膨胀系数不同,从而导致热膨胀不同步;另外,温度和应力对光纤光栅的耦合作用没有考虑.4结论本文在光纤布拉格光栅表面镀金,研制了一种F BG 温度传感器,它的温度灵敏系数K T 在线性变化区间为0.0283n m /℃,是裸光纤布拉格光栅的3倍.通过实验研究了-70℃～0℃之间的裸F BG 和镀金的F BG 温度传感器的中心波长低温变化特性.实验表明镀金的光纤布拉格光栅温度传感器能满足飞机恶劣的飞行环境以及对传感器小尺寸的要求,适合低温环境中的应用.而尽管裸光纤布拉格光栅的中心与温度的变化具有良好的线性关系,但是裸光纤布拉格光栅的热膨胀系数较低同时又特别脆弱,直接将其作为传感器会遇到许多的难题,因此不适合低温环境中的应用.[1]　冯遵安,王秋良,戴峰等,低温物理学报,26(2004),227.[2]　姜德生,何伟,光电子・激光,13(2002),420.[3]　Y .J.RAO,O ptics and Lasers in Engineering ,31(1999)297.[4]　R.C .TENNYS ON ,T .COROY,G .DUCK et al .,J C ivic Eng .,27(2000),880.[5]　H.NOR I T OMO,S .Y AS UK AZ U,I SA Transactions ,39(2000),169.[6]　MURUKESH AN V M ,CHAN P Y,ONG L S et al .,Sensors andA ctuators ,79(2000),153.[7]　张晓晶,武湛君,张博明等,光学技术,31(2005),497.[8]　毕卫红,李卫,傅广为,光电子・激光,14(2003),781.[9]　刘震,朱亚军,周岳亮,戴守愚,王淑芳,低温物理学报,27(2005),188.LOW TE M PERATURE PR OPERTI ES OF FI BER BRAGG GRATI NGTE M PERATURE SENS OR W I TH P LATI NG G OLD3Guo M ing 2J in 3 J iang De 2SHengKey Laboratory of Fiber Optic Sensing Technology and Infor m ation Processing,W uhan U niversity of Technology,M inistry of Education,W uhan 430070(Received 28Nove mber,2005;revised manuscri p t received 15February,2006)Fiber B ragg gratings (F BG )p repared in ter m s of a phase mask technique and the F BG te mperature sens or with p lating gold were intr oduced .The centerwavelength l ow te mperature p r operties of the bare Fiber B ragg grating and the F BG te mperature sens or with p lating gold fr om -70℃t o 0℃were researched by the experi m ent .Fr om the experi m ental results it could be seen that there is a very good linearity and p referable repeatability bet w een the center wavelength shift of the bare F BG and the F BG te mperature sens or with p lating gold and the te mperature change fr om -70℃t o 0℃,and there is al m ost no hysteresis effect .The sensitivities of the bare F BG and the F BG te mperature sens or with p lating gold K T are 0.0101n m /℃and 0.0283n m /℃res pectively .Their pertinence coefficients are more than 0.999.Key words:Guided and fiber op tics,op tical fiber B ragg grating,phase mask,encap sulating technique,p r operties of l ow Te mperaturePACC:0720M ,4280L,4281P141第2期郭明金等:镀金光纤光栅温度传感器的低温特性3Pr oject supported by the Nati onal Natural Science Foundati on of China (Grant No .50179029).。

光纤布拉格光栅制作与特性测量

光纤布拉格光栅制作与特性测量
一、引言
光纤布拉格光栅是一种重要的光纤传感器元件，其制作工艺和特性测量对光纤
通信、光纤传感等领域具有重要意义。

本文将介绍光纤布拉格光栅的制作方法以及特性测量方案。

二、光纤布拉格光栅制作
2.1 原料准备
制作光纤布拉格光栅所需原料包括光纤、布拉格光栅相位掩膜、紫外光源等。

2.2 制作工艺
1.制备工作平台：搭建起实验台，确保环境整洁。

2.激光刻蚀：利用布拉格光栅相位掩膜对光纤进行刻蚀，形成光纤布拉
格光栅。

3.固定测试：将制作好的光纤布拉格光栅固定在测试平台上。

三、光纤布拉格光栅特性测量
3.1 反射谱测量
通过光谱仪等设备对光纤布拉格光栅的反射谱进行测试，得到其反射光谱特性。

3.2 折射率特性测量
利用折射率测试仪等设备测量光纤布拉格光栅的折射率曲线，以了解其光学特性。

3.3 应变测量
应变对布拉格光栅的特性有显著影响，通过施加外部应变并测量其反射谱变化，可以了解光纤布拉格光栅在应变下的性能。

四、结论
通过对光纤布拉格光栅的制作和特性测量，可以更好地了解其在光通信和传感
领域的应用潜力，为光纤技术的发展提供重要参考。

以上是对光纤布拉格光栅制作与特性测量的简要介绍，希望能对相关领域的研
究和实践提供一定的参考。

光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理

光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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实验11 基于光纤布拉格光栅的应变和温度传感器实验

实验11基于光纤布拉格光栅的应变和温度传感器实验物光1201 朱学军201121051一、FBG反射光谱特性测量从原始数据中我们看到纵坐标最大值为559.552，且为单峰，由于数据过多，我们舍去纵坐标小于1的项，绘出图表如下从图中可以读出最大值560，对应中心波长值1544.616nm。

其一半为280，其与右边交于一点（1544.694，280），左边数据有误差，根据曲线走势，取最右边的一点（1544.556，280），得其3dB带宽|1544.694-1544.556|=0.138nm。

二、光纤FBG温度传感器的标定将原始数据进行线性拟合，得b=0.010649,a=1540.2141544.520 26.01544.682 41.01544.837 56.01545.029 75.01545.204 90.41545.373 105.0标定后，我们又测了两组数据真实值108.6 95测量值108.2 93.20可以看出，拟合还是比较标准的，但还是存在一定的误差。

三、光纤FBG应变传感器的——光纤称重传感器1564.404 01564.696 5001564.885 10001565.077 15001565.270 20001565.467 25001565.667 3000将原始数据进行线性拟合，得b=0.0000985,a=1544.615标定后，我们又测了三组数据真实值1000 2000 2500测量值1003.4082022.676 2478.746可以看出，在误差允许的范围内，拟合还是比较标准的。

四、思考题1、影响光纤FBG温度传感器的测量精度的因素有哪些？答：有操作失误、温度没有稳定就读值、光纤有损坏、系统误差等。

2、如何提高光纤FBG中心波长的计算精度？答：在最高点附近多测几组数值、整体多测几次求平均、读数时根据曲线的对称性在最高点附近两边取纵坐标相同的值再求中点。

五、心得体会通过本次实验，我了解了基于光纤布拉格光栅的应变和温度传感器的工作原理和特性，同时对传感器也有了更多的了解，测量是否精确也在一定程度上取决于标定的情况。

光纤布拉格光栅应变传感中的温度补偿研究的开题报告

光纤布拉格光栅应变传感中的温度补偿研究的开题报告一、选题背景及研究意义随着科技的发展，传感器在日常生活和工业生产中扮演着越来越重要的角色。

光纤布拉格光栅应变传感技术具有测量精度高、抗干扰能力强、体积小、可以长距离传感等优点，已经成为当前应变传感领域中的研究热点。

然而，在实际应用中，温度会对传感器的精度和稳定性产生很大的影响，因此如何对光纤布拉格光栅应变传感器进行温度补偿，提高其测量精度和稳定性，是当前研究的关键之一。

本研究将探索光纤布拉格光栅应变传感中的温度补偿问题，旨在提高光纤布拉格光栅传感器的测量性能，为实际工程应用提供可靠的技术支持。

二、研究内容和方案（1）研究内容：1. 光纤布拉格光栅传感器的基本原理及应变测量方法。

2. 光纤布拉格光栅传感器受温度影响的原因及影响程度分析。

3. 基于光纤布拉格光栅传感器的温度补偿方法探讨。

4. 实验验证，比较各种补偿方法针对不同环境下的实际效果。

（2）研究方案：1. 对光纤布拉格光栅传感器的原理和应变测量方法进行深入研究。

2. 分析光纤布拉格光栅传感器受温度影响的原因及影响程度，确定温度补偿的必要性。

3. 探讨和比较不同的温度补偿方法，包括基于补偿器件的温度补偿方法和基于数学模型的温度补偿方法。

4. 设计并实现温度补偿实验，比较不同的温度补偿方法及其效果。

5. 分析并总结成果，撰写课题论文。

三、研究目标和意义1. 对光纤布拉格光栅传感器的温度特性进行深入分析和研究，提高光纤布拉格光栅传感器的性能和测量精度。

2. 确定最优的温度补偿方案，为实际工程应用提供可靠的技术支持。

3. 提高光纤布拉格光栅传感技术的发展水平，为传感器技术的研究发展做出贡献。

四、论文结构和预期成果1. 论文结构：本课题的论文主要分为绪论、理论分析、实验研究、结果分析和结论与展望五个部分。

2. 预期成果：（1）分析了光纤布拉格光栅传感器的基本原理和应变测量方法。

（2）探索了光纤布拉格光栅传感器的温度特性及其影响因素。