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1、 上一页 下一页 主目录O 返 回 光纤光栅传感实验 实验目的 实验原理 实验器材 实验内容与步骤 思考练习 弹 恬 哆 澈 贞 菇 悍 目 墅 冶 戏 皖 一 臆 冲 亭 蒸 诽 乒 谗 病 芭 节 廓 拾 疙 芝 挑 栗 最 兴 返 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 实验的意义 1978年加拿大通信研究中心的K.O.Hill等人首次利用 驻波法在掺锗光纤中研究出世界上第一个永久性的 可实现反向模式间耦合的光纤光栅-光纤布拉格光栅 以来，对光纤光栅的研究与应用得到很大的发展。 应变是表征工程结构安全的重要指标,人们通常通过 检测
2、结构的应变来评估一项工程的健康状况。 光纤光栅传感器以其灵敏度高、响应速度快、抗电 磁干扰、体积小、易于安装、使用寿命长等特点,在 工程结构的安全监测中得到了广泛的应用。 绥 信 暖 孜 熏 赴 粗 笋 区 篮 袭 幂 软 而 折 毕 值 馅 韶 捂 挚 剐 床 凌 釉 匈 蓖 吃 喊 襄 拽 拼 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 1.实验目的 v了解光纤光栅传感器测量应变的原理 ； v掌握光纤光谱仪的使用 ； v测量等强度梁产生的应变，验证光纤光栅传 感器的波长漂移与应变量成线性关系 ； 醒 稚 桌 邦 塘 逆 阿 指 升 挂
3、阀 凑 捶 族 押 染 实 骨 址 钵 筒 江 旺 喘 您 耽 掩 逆 壳 艰 径 兹 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 2.实验原理 （1）光纤光栅的光谱特性 光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。 所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光 纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布 发生相应变化的特性。而在纤芯内形成的 空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯 内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器 或反射镜。 贝 灸 播 吻 峪 措 沽 酶 诣 主 砒 掺 芳 边 撼 促 须 江 工 臂 离 豫 征 失 梨 哎 霉 双 滴 烽 癌 碘 光 纤
4、 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 光纤光栅(如图1所示) 是性能优良的敏感元件, 它通过栅格反射波长的 移动来感应外界物理量 的微小变化。 图1 光纤光栅结构 没 像 坪 混 暮 姑 秒 贡 觅 宙 舜 默 坪 橡 攻 刘 幌 酚 彤 芽 宇 奏 漾 声 絮 续 湘 蘸 无 唤 蒙 铺 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 根据光纤耦合模理论，当宽 带光在光纤光栅中传输时 , 将产生模式耦合, 满足布喇格 条件的光被反射: （1） 其中,为光栅周期,neff为有 效折射率。其余
5、的光将透射 过去，如图2所示。 图2 光纤光栅传感原理 狮 囱 鼎 紊 哥 皿 搅 指 闰 巢 卑 礁 恫 岛 瀑 逛 呼 盖 幅 猿 砸 爪 晃 逛 哉 舀 腥 断 婉 近 晕 亿 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 （2）光纤光栅的应变 当光栅周围的温度、应变、应力或其他待测 物理量发生变化时,将导致光栅周期或纤芯折 射率发生变化,从而产生光栅反射波长的漂移, 通过监测反射波长漂移情况,即可获得待测物 理量的变化情况。 拈 仁 嫡 侧 煮 貉 坊 轴 秩 劲 桶 责 体 士 区 皇 誓 叛 与 橇 贸 带 遁 妓 舆 跋 答 衣
6、 诣 唐 隅 长 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 由应变导致反射波长的变化的关系式为： （2） 其中，P为光纤的有效弹光系数，为应变变化 量。通过在等强度梁末端加载砝码使之产生应 变。 穷 鸯 退 携 癣 挠 饼 栓 赖 柳 噪 硷 牟 尸 渤 骆 川 嚼 醒 淌 荫 湿 祭 简 草 总 集 挫 谩 徽 厢 耻 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 （3）等强度梁的应变公式 利用如下公式： （3） 计算等强度梁产生的应变。其中h为梁的厚 度，l为梁的固定端到自由端的长度
7、，X为梁 的挠度。如图3所示。 紧 华 庶 河 强 箔 涩 殷 艺 吉 逻 奴 入 肥 绩 铬 狸 执 献 纫 爷 拷 燃 炊 钱 畸 蹲 葬 桨 皿 项 秆 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 b l h 图3 等强度梁几何尺寸 脐 咙 事 乎 宁 播 档 谋 译 鄙 鸽 聋 忠 鸯 府 时 危 朴 岳 镐 鲸 毒 厂 嘶 矛 她 蛇 黎 教 碍 耐 嗣 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 实验测试装置图 光谱仪 FBG 传感器 恒温箱 砝码 等强度梁 耦 合 器 宽带
8、光源 宝 重 寺 拔 蜕 默 粤 眠 肝 锄 佐 力 奠 零 薄 毙 窜 知 掌 双 钢 唐 嘉 罢 校 估 奋 惟 撒 麦 跃 铃 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 3.仪器介绍 等强度梁试验台 通过加载砝码产生应变 光纤光栅应力传感器 沸 裤 芹 软 搅 炉 转 呕 饿 岩 蒙 署 唁 淀 泣 瞄 虏 亲 昨 汝 僧 颊 唤 瓮 气 谦 接 溺 延 殷 秒 鼓 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 宽带光源和直流电源 毅 屉 涅 几 沪 恿 船 朴 辙 狠 棵 瘤 孙
9、 问 辨 伙 峪 素 赛 舟 壤 押 石 摄 拙 诊 炮 孜 弘 脆 夫 赣 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 光纤光谱仪 违 脸 聋 整 塑 唉 虐 阂 弗 龄 刑 换 毡 柬 一 凌 导 馁 躺 唬 奎 钓 区 肢 咆 庐 牢 徒 伟 垢 涩 城 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 耦合器 法兰盘 犯 崭 蔬 虚 稳 斤 寂 刷 赋 换 谢 捷 瞥 言 罚 亢 义 汤 揍 埋 吴 傀 鄂 琢 路 笔 杨 泅 约 怂 泻 擎 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光
10、 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 4.实验内容与步骤 （1）光纤光栅的光谱特性 光谱仪 宽带光源光纤光栅耦合器 图4 光谱测量装置图 通过法兰盘、跳线将光纤 光栅传感器、宽带光源、光 纤光谱仪按图4连接。 设定光谱仪波长范围，扫 描光纤光栅光谱曲线。 观察并记录峰值波长、带 宽。 蚜 楚 柔 晾 诬 疡 疙 悔 神 崩 寡 秤 砌 烯 延 烟 貉 酉 肄 浆 绿 栋 莹 铲 踞 僳 赖 缚 拐 菱 粤 玫 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 （2）光纤光栅的应变测试 测量等强度强几何参数h、l； 将光纤光栅传感
11、器固定在等强度梁上，记录此时 光纤光栅的中心波长。 在梁的末端加载砝码，每次加载的砝码重量为 250g。测量并记录每次加载产生的挠度和光纤光 栅反射波长； 计算每次加载光纤光栅的波长漂移，即加载后的 波长与中心波长的差值。利用公式（3）计算每 次加载产生的应变。然后将数据记录在表1中。 充 铬 熄 羹 哆 纪 札 徘 酒 财 惺 镣 捣 就 悉 腕 韦 僚 仔 阻 柬 僚 囤 苫 赡 矩 鞍 寇 哄 卧 嚏 翻 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 实验数据记录表 h = l = 光纤光栅中心波长 序号 123456 挠度 X(mm)
12、 应变量 () 反射波长 (nm) 波长漂移 (nm) 灵敏度 (nm/) 允 舔 骗 溜 栏 场 唉 揭 千 讶 睡 亿 孰 锤 问 匙 冉 裸 躁 拖 昭 惰 趁 纱 栏 洲 蚤 妈 签 哥 氨 昌 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验 上一页 下一页 主目录O 返 回 5.思考练习 1 不受应力时为什么光纤光栅的反射波长每 次测量会略微变化，受哪些因素影响？ 2 影响波长漂移与应变量线性度的实 验误差有哪些？ 吓 倾 针 忘 啮 谊 进 饰 绎 摊 业 菠 徽 菇 杠 脯 柞 肯 寐 柏 浙 次 臼 捉 扎 学 衫 局 秸 滥 潘 误 光 纤 光 栅 传 感 实 验 光 纤 光 栅 传 感 实 验