光纤光栅温度传感与测量 [实验目的] 1.了解光纤传感器的工作原理及相关特性： 2.掌握光纤光栅位移传感的测量方法： [实验原理] 当紫外光照射光纤时，光纤的折射率将发生永久性的变化，该作用称为光纤 的光敏性。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法使折射率 沿光纤光栅长度方向形成周期性的永久变化（如图1、图2所示）。其作用实质上 是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜，当一束宽光谱光经过光纤光栅时， 满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光橱继续传 输。 入射光石 0 A透射光 反射光 纤芯包层 图1光纤光橱的剖面结构图 图2光纤光栅的芯层折射率分布图 八 输入光谱 反射光谱 透射光谱 图3光纤光橱的输入光谱、透射光谱和反射光谱 光纤光栅反射谱如图3所示。光纤光栅中最重要的特性指标是其Bra照反射 波长2a,可以表示为：元g=2ngA。其中，ng是光纤光栅的有效折射率，A为 1
光纤光栅温度传感与测量 [实验目的] 1. 了解光纤传感器的工作原理及相关特性； 2. 掌握光纤光栅位移传感的测量方法； [实验原理] 当紫外光照射光纤时，光纤的折射率将发生永久性的变化，该作用称为光纤 的光敏性。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法使折射率 沿光纤光栅长度方向形成周期性的永久变化(如图 1、图 2 所示)。其作用实质上 是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜，当一束宽光谱光经过光纤光栅时， 满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传 输。 图 1 光纤光栅的剖面结构图 图 2 光纤光栅的芯层折射率分布图 输入光谱 反射光谱 透射光谱 图 3 光纤光栅的输入光谱、透射光谱和反射光谱 光纤光栅反射谱如图 3 所示。光纤光栅中最重要的特性指标是其 Bragg 反射 波长λ B，可以表示为：λ B = 2neff Λ 。其中， 是光纤光栅的有效折射率， neff Λ 为 1
光栅周期。从图3我们可以清楚的看到光纤光栅对于光反射的情况。只有波长 满足布拉格条件的光波长可以被反射，其它的都可以透过。 随着紫外写入光纤光栅制作技术的日益完善，光纤光栅在光纤传感领域的 应用得到了迅速发展。光纤光栅Brgg波长受应力和温度特性的影响，对光纤 光栅Brgg波长的偏移进行测量，即可测知其所受到的应力和温度，这是光纤 光栅用于光纤传感的主要工作原理。 光纤光栅在传感技术方面可以对多种物理量进行传感和检测，光纤光栅己 实现温度、应力、应变、加速度、水声等参量的传感与测量。光纤光栅型传感 器除了光纤传感器的基本优点之外，还具有分辨率高、重复性好、稳定性高、 测量动态范围大，可以进行绝对测量，不必考虑光源强度的随机起伏波动，对 光路的损耗不敏感，能满足多参量、复用式、阵列式、分布式传感的要求。 当光纤光栅的温度升高时，由于光纤材料的热光效应，其有效折射率会增 加：而且由于热胀冷缩效应，光栅周期也会增长，从而使向长波长方向移动， 波长偏移量△，为 △=[(a+e)△T]2B (1) 其中α为光纤材料的热胀系数；△T为温度变化量：为热光系数。本实验测量 用光纤光栅作温度传感时的定标曲线。 当光纤光栅发生应变时，一方面由于光纤沿轴向和径向的伸缩，导致光栅 周期改变：另一方面光纤的轴向和径向的伸缩还会产生光弹效应，它会使光纤 的有效折射率发生改变，从而使Brg哭波长元产生偏移，其波长偏移量△入，为 △23=(1-p.)eMg (2) 其中p为光弹性常数，c为光纤光栅的应变量。 [实验装置] LD1.OUT sig in 15500u PORT1 PORT3 1310/1550 Coupler 1550nm FP-LD 光分析位 PORT2 pORT4月 TFBG LD2.OUT ▣Sgn
光栅周期。从图 3 我们可以清楚的看到光纤光栅对于光反射的情况。只有波长 满足布拉格条件的光波长可以被反射，其它的都可以透过。 随着紫外写入光纤光栅制作技术的日益完善,光纤光栅在光纤传感领域的 应用得到了迅速发展。光纤光栅 Bragg 波长受应力和温度特性的影响，对光纤 光栅 Bragg 波长的偏移进行测量，即可测知其所受到的应力和温度，这是光纤 光栅用于光纤传感的主要工作原理。 光纤光栅在传感技术方面可以对多种物理量进行传感和检测，光纤光栅已 实现温度、应力、应变、加速度、水声等参量的传感与测量。光纤光栅型传感 器除了光纤传感器的基本优点之外，还具有分辨率高、重复性好、稳定性高、 测量动态范围大，可以进行绝对测量，不必考虑光源强度的随机起伏波动，对 光路的损耗不敏感，能满足多参量、复用式、阵列式、分布式传感的要求。 当光纤光栅的温度升高时，由于光纤材料的热光效应，其有效折射率会增 加；而且由于热胀冷缩效应，光栅周期也会增长，从而使λ B向长波长方向移动， 波长偏移量ΔλT 为 λT α Te λ B Δ = + Δ ])[( (1) 其中α 为光纤材料的热胀系数；ΔT 为温度变化量；e为热光系数。本实验测量 用光纤光栅作温度传感时的定标曲线。 当光纤光栅发生应变时，一方面由于光纤沿轴向和径向的伸缩，导致光栅 周期改变；另一方面光纤的轴向和径向的伸缩还会产生光弹效应，它会使光纤 的有效折射率发生改变，从而使 Bragg 波长λ B产生偏移，其波长偏移量ΔλS 为 S p Be Δλ = − )1( ελ （2） 其中pe为光弹性常数，ε为光纤光栅的应变量。 [实验装置] 2
[实验内容] 1.实验装置连接 按图示光路连接实验装置，将实验仪主机背板通讯接口用串行通讯电缆连接 至计算机主机CO1口，打开实验仪主机电源后再运行计算机上的测试软件 2.光纤光栅反射光谱测量 a.将1550nm半导体澈光器光输出连接至1310/1550 Coupler输入端P0RT1, 将1310/1550 Coupler输出端PORT3连接至光纤光栅温度传感器PORT1。 将1310/1550 Coupler端口P0RT2连接至0PM。 b.将1550nm激光器控制端口连接至LD1,将光纤光栅温度传感器控制端口 连接至LD2。设置LD2温度为-10C,设置LD1工作模式(MOD)为恒流模 式(ACC),待LD2温度稳定后缓慢调节LDI驱动电流(Ic),使得OPM 显示最大。LD1电流不得超过40mA。 c.将1310/1550 Coupler端口P0RT2改接至C波段光谱分析器，输出狭缝 置0.1mm。 d.将光谱分析器功率探头输出连接至PD,OPMMOD置PD/mW,量程(OPMRTO) 置100uW档。 e.测量光纤光栅反射光谱，波长范围1540-1580nm,波长间隔0.1nm。记 录峰值波长。 3.光纤光栅温度传感器定标 a.测量出光纤光栅在-10℃、-5℃、0℃、5℃下的反射光谱，记录其峰值位 置。 b.求光纤光栅温度传感器定标关系式。 注意事项] 1.系统上电后禁止将光纤连接器对准人眼，以免灼伤。 2.光纤连接器陶瓷插芯表面光洁度要求极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或 接触硬物。空置的光纤连接器端子必须插上护套。 3.所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应大于30m
[实验内容] 1. 实验装置连接 按图示光路连接实验装置，将实验仪主机背板通讯接口用串行通讯电缆连接 至计算机主机 COM1 口，打开实验仪主机电源后再运行计算机上的测试软件。 2. 光纤光栅反射光谱测量 a. 将 1550nm半导体激光器光输出连接至 1310/1550 Coupler输入端 PORT1， 将 1310/1550 Coupler 输出端 PORT3 连接至光纤光栅温度传感器 PORT1。 将 1310/1550 Coupler 端口 PORT2 连接至 OPM。 b. 将 1550nm 激光器控制端口连接至 LD1，将光纤光栅温度传感器控制端口 连接至 LD2。设置 LD2 温度为-10℃，设置 LD1 工作模式(MOD)为恒流模 式(ACC)，待 LD2 温度稳定后缓慢调节 LD1 驱动电流(Ic)，使得 OPM 显示最大。LD1 电流不得超过 40mA。 c. 将 1310/1550 Coupler 端口 PORT2 改接至 C 波段光谱分析器，输出狭缝 置 0.1mm。 d. 将光谱分析器功率探头输出连接至 PD，OPMMOD 置 PD/mW，量程(OPMRTO) 置 100uW 档。 e. 测量光纤光栅反射光谱，波长范围 1540-1580nm，波长间隔 0.1nm。记 录峰值波长。 3. 光纤光栅温度传感器定标 a. 测量出光纤光栅在-10℃、-5℃、0℃、5℃下的反射光谱，记录其峰值位 置。 b. 求光纤光栅温度传感器定标关系式。 [注意事项] 1. 系统上电后禁止将光纤连接器对准人眼，以免灼伤。 2. 光纤连接器陶瓷插芯表面光洁度要求极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或 接触硬物。空置的光纤连接器端子必须插上护套。 3. 所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应大于 30mm。 3