光纤传感实验报告

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。

80℃70℃60℃50℃40℃30℃11320.34111320.191320.07451319.9751319.88011319.7852 10.55590.40480.28930.18980.09490 21321.10191320.9751320.8571320.7451320.63981320.5314 20.57050.44360.32560.21360.10840

（4）温控箱温度恒定时记录数据采集软件相关数据。（记录时间间隔1— 1000ms ）

（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

温度：℃波长：nm 304050607080℃℃℃℃℃℃11319.78521319.88011319.9751320.07451320.191320.3411 100.09490.18980.28930.40480.5559 21320.53141320.63981320.7451320.8571320.9751321.1019 200.10840.21360.32560.44360.5705

（二）降温温度：℃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

e L max

100% y

FS

式中 ,△max 为输出平均值与拟合直线间的最大偏差;y FS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=y / x0.01089, 线性度e L =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=y / x0.01126, 线性度e L =99.693%。

2.6正常封装传感器降温波长变化量图