2020年整理光纤传感实验报告.doc

光纤传感实验报告

1、基础理论

1.1光纤光栅温度传感器原理

1.1.1光纤光栅温度传感原理

光纤光栅的反射或者透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，而外界温度的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，这是光纤光栅温度传感器的基本工作原理。

光纤Bragg光栅传感是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射Bragg波长光谱的检测,实现被测结构的应变和温度的绝对测量。由耦合模理论可知,光纤光栅的Bragg中心波长为

式中Λ为光栅的周期;neff为纤芯的有效折射率。外界温度对Bragg波长的影响是由热膨胀效应和热光效应引起的。由公式(1)可知,Bragg波长是随和而改变的。当光栅所处的外界环境发生变化时,可能导致光纤光栅本身的温度发生变化。由于光纤材料的热光效应,光栅的折射率会发生变化;由于热胀冷缩效应,光栅的周期也会发生变化,从而引起和的变化,最终导致Bragg 光栅波长的漂移。

只考虑温度对Bragg波长的影响,在忽略波导效应的条件下,光纤光栅的温度灵敏度为

式中F为折射率温度系数;α为光纤的线性热膨胀系数;p11和p12为光弹常数。

由式(2)可知光纤光栅受到应变作用或当周围温度改变时，会使n eff和 发生变化，从而引起Bragg波长的移动。通过测量Bragg波长的移动量，即可实现对外部温度或应变量的测量。

1.1.2光纤光栅温度传感器的封装

为满足实际应用的要求,在设计光纤光栅温度传感器的封装方法时,要考虑以下因素:(1)封装后的传感器要具备良好的重复性和线性度;(2)必须给光纤光栅提供足够的保护,确保封装结构要有足够的强度;(3)封装结构必须具备良好的稳定性,以满足长期使用的要求。为了能够有效起到增敏作用一般采用合金、钢、铜、铝等热膨胀系数大的材料对光纤光栅进行封装。

1.1.

2.1蝶形片封装

1.1蝶形片封装

光纤预拉后两头用环氧树脂固定在蝶形片上，中间光栅工作区悬在槽内，测量时将蝶形片固定在待测物体上。

1.1.

2.2套管封装

套管分装一类是在套管内填充环氧树脂进行温度补偿式分装，另一类是套管封装。

1.2钢管内腔充满环氧树脂封装

1.3管式封装

1.1.

2.3其他封装方式

考虑到待测物及增敏敏效果等其他因素，还有其他一些特殊封装方式。

2、光纤光栅温度传感器的具体实验

2.1实验目的

（1）掌握光纤光栅温度传感器的基础理论知识

（2）验证光纤光栅温度传感器相关理论

（3）对比光纤光栅温度传感器在不同封装情况下传感效果

（4）学会各类仪器的造作和使用

（5）学会相关数据处理方法

2.2实验器材

温控箱、波长解调仪、两只支光纤光栅传感器（一支经过增敏镀膜处理）、相关软件2.2实验过程

2.1实验系统组成结构图

（1）将各类器件按结构图连接好，将Bragg光栅温度传感器放入温控箱内，检查温控箱气密性。

（2）打开数据采集软件、解调仪，检查传感器联通情况。

（3）打开温控箱电源进行升温实验，温度从30°到80°每次10°递增。

（5）达到80摄氏度后，进行降温实验，温度从80°到30°每次10°递减。

（6）温控箱温度恒定时记录数据采集软件相关数据。

（7）数据处理与分析

2.3采集数据

（一）升温

30℃40℃50℃60℃70℃80℃

λ1 1319.7852 1319.8801 1319.975 1320.0745 1320.19 1320.3411 λ

∆ 1 0 0.0949 0.1898 0.2893 0.4048 0.5559 λ2 1320.5314 1320.6398 1320.745 1320.857 1320.975 1321.1019 λ

∆ 2 0 0.1084 0.2136 0.3256 0.4436 0.5705 （二）降温

80℃70℃60℃50℃40℃30℃

λ1 1320.3411 1320.19 1320.0745 1319.975 1319.8801 1319.7852 λ

∆ 1 0.5559 0.4048 0.2893 0.1898 0.0949 0

λ2 1321.1019 1320.975 1320.857 1320.745 1320.6398 1320.5314 λ

∆ 2 0.5705 0.4436 0.3256 0.2136 0.1084 0

温度：℃波长：nm

温度：℃波长：nm

2.3 两种封装光纤光栅降温波长输出对比

2.4实验数据分析

传感器的静态特性是表示传感器在被测输入量的各个值处于稳定状态时的输入一输出关系。衡量传感器静态特性的主要技术指标是:线性度、灵敏度、迟滞和重复性。 2.4.1线性度

线性度又称非线性,是表征传感器输出一输入校准曲线与所选定的拟合直线之间吻合程度的指标。通常用相对误差来表示线性度,即

%100max

⨯∆±

=FS

L y e 式中,△max 为输出平均值与拟合直线间的最大偏差; FS y 为理论满量程输出。本次实验采用最小二乘法直线法。

2.4 正常封装传感器升温波长

2.4 正常封装传感器升温波长增量图

从图中可以看出，正常封装传感器的灵敏度是S==∆∆x /y 0.01089,线性度L e =99.748%。

2.5增敏封装传感器升温波长变化量图

从图中可以看出，增敏封装传感器的灵敏度是S==∆∆x /y 0.01126,线性度L e =99.693%。

2.6 正常封装传感器降温波长变化量图