实验--光纤光栅传感实验

光纤光栅传感器实验

一、实验目的

1. 了解和掌握光纤光栅的基本特性；

2. 了解和掌握光纤光栅传感器的基本结构、基本原理；

3. 光纤光栅传感测量的基本方法和原理。

二、实验原理

光纤光栅是近年来问世的一种特殊形式的光纤芯内波导型光栅，它具有极为

丰富的频谱特性，在光纤传感、光纤通信等高新技术领域已经展示出极为重要的

应用。特别是在用于光纤传感时，由于其传感机构（光栅）在光纤内部，且它属

于波长编码类型，不同于普通光纤传感的强度型，因而具有其他技术无法与之相

比的一系列优异特性，如防爆、抗电干扰、抗辐射、抗腐蚀、耐高温、寿命长、

可防光强变化对测量结果的影响、体积小、重量轻、灵活方便，特别能在恶劣环

境下使用。光纤光栅传感器可集信息的传感与信息的传输于一体，它极易促成光

纤系统的全光纤化、微型化、集成化以及网络化等等，因此光纤光栅传感技术一

经提出，便很快受到青睐，并作为一门新兴传感技术迅猛崛起。

1. 光纤光栅及其基本特性

光纤光栅的基本结构如图1－1所示。它是利用光纤材料的光折变效应，用

紫外激光向光纤纤芯内由侧面写入,形成折射率周期变化的光栅结构，这种光栅

称之为布喇格（Bragg ）光纤光栅。

这种折射率周期变化的Bragg 光纤光栅满足下面相位匹配条件时，入射光将

被反射：

Λ=eff B n 2λ (1)

式中B λ 为Bragg 波长（即光栅的反射波长），

为光栅周期，eff n 为光纤材料的有效折射率。如果光纤光栅的长度为L ,由耦合波方程可以计算出反射率R 为： 附图1－1 光纤光栅示意图

布喇格光纤光栅 纤芯

入射光

反射光

光纤包层

()R A A sL s sL sL

r i ==+002222222()sinh cosh (/)sinh *κκβ?

图1－2 显示了两条不同反射率的布喇格光纤光栅反射谱，附图1－3为实际的

一个布喇格光纤光栅反射谱和透射谱。

其峰值反射率m R 为:

????????Λ?=eff m n nL R 2tanh 2

π (2) 反射的半值全宽度（FWHM ）,即反射谱的线宽值

2

2???? ???+??? ??Λ=?eff B B n n L λλ (3) （1）式中，,eff n Λ是温度T 和轴向应变ε的函数，因此布喇格波长的相对变化量

可以写成：

/()(1)B a T Pe λλξε=++- (4)

其中a 、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，；Pe 是有效光弹系数，大

约为0.22。应变ε可以是很多物理量（如，压力、形变、位移、电流、电压、振

动、速度、加速度、流量等等）的函数，应用光纤光栅可以制造出不同用途的传

感头，测量光栅波长的变化就可以计算出待测物理量的变化，所以（4）式是光

栅传感的基本方程。

SGQ-1型光纤光栅传感实验仪是我公司设计的系列实验设备之一。通过本实

验仪的相关实验使学生了解和掌握光纤光栅的基本特性、光纤光栅传感器的基本

附图1－2 曲线κL =2和κL =5的反射谱 附图1－3 布喇格光纤光栅透射

结构、光纤光栅传感的基本原理、光纤光栅传感测量的基本方法和原理，同时使学生了解光纤光栅和光纤传感的局限性。

2.光纤光栅传感实验仪基本结构

光纤光栅传感实验仪，它包括光纤光栅传感测试单元和光纤光栅传感单元，其基本结构如附图2－1、附图2－2。

图2－1 光纤光栅传感测试单元结构

1－ASE宽带光源2－1550nm信号光源输入接口

3－宽带光源输出接口4－宽带光源输入接口

5－光纤耦合器6－波长悬臂梁调谐器7－螺旋测微器

8－光强信号数字电压表8－光强信号接收放大电子线路

9－波长传感器信号接收放大电子线路

10－A/D转换及数据处理电子线路11－RS232数据输出接口

12－传感信号输入接口

13- 光纤光栅温度传感器14、15－温度传感信号输出接口1、2

16－加热装置 17－加热调节器 18- 温度检测装置

19－温度数字显示器 20－光纤光栅应变传感器

21－应变传感信号输出端 22－螺旋测微器

光纤光栅传感测试单元，它主要包括宽带光源1［掺铒（Er+）光纤ASE 宽带光源］，手动光纤光栅波长悬臂梁调谐器6、7，光强信号接收放大电子线路8，A/D 转换及数据处理电子线路10，光纤光栅波长传感器信号接收放大电子线路9，宽带光源输出3用光纤FC 接头跳线连接到机箱面板上，传感测试用宽带光源输入端4也连接到机箱面板上。此测试单元还有RS232数据计算机接口，有图形显示和数据处理软件，手动波长扫描，手工或计算机自动两种数据记录、描绘图形、数据处理方法。由光纤FC 接头跳线将光纤光栅传感测试单元接口12与光纤光栅传感单元接口15或21连接，可进行光纤光栅温度传感和光纤光栅应变传感或波分复用传感实验；宽带光源1有宽带输出接口3，可独立以宽带光源使用。

光纤光栅传感单元主要由光纤光栅温度传感器13和光纤光栅应变传感器20组成，光纤光栅温度传感器还有附属的加热及加热调节16、17和温度检测装置、温度数字显示器18、19，显示其实际温度；光纤光栅应变传感器20中光纤光栅粘接到悬臂梁上，光纤光栅应变由悬臂梁弯曲形变产生，连接到悬臂梁上的螺旋测微器22的进动量给出悬臂梁形变的挠度，进而计算出光纤光栅应变。

3. 光纤光栅传感的基本原理和光纤光栅传感测量的基本原理

光纤光栅受温度T 和应变ε同时影响时，光纤光栅峰值波长会发生变化，其相对变化量可以写成：

/()(1)a T Pe λλξε=++- (4)

其中a 、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，其值a ＝0.55×10－6,ξ＝

8.3×10－6，即温度灵敏度大约是0.0136 nm /℃，（λ为1550nm ）；Pe 是有效光弹系数，大约为0.22，即应变灵敏度为0.001209 nm /m μ。

3.1 光纤光栅温度传感器

为了提高光纤光栅温度灵敏度，在光纤光栅温度传感器13中，是将光纤光栅封装在温度增敏材料基座上，外部有不锈钢管保护，外面有加热装置。如附图3－1。波长变化量及温度灵敏度分别为（请自行推算）：

/(()(1)())e j T a P a a λξλ??=++-- (5)

/t T λα??=

t α定义为该温度传感器的温度灵敏度，可由实验获得，大约是t α＝0.035nm/℃。由测量到的波长的变化量可计算出温度的变化0t t -：

在上面的公式中，

a ：石英材料（光纤光栅）光纤热膨胀系数0.5×10－6/℃

ξ：石英材料（光纤光栅）光纤热光系数8.3×10－6/℃

Pe ：石英材料（光纤光栅）光纤有效光弹系数，为0.22，η＝1－Pe ， j a ：基座热膨胀系数

3.2 光纤光栅应变传感器

本实验仪的光纤光栅应变传感器是一种悬臂梁应变调谐机构。应用材料力学原理可以严格计算出光纤光栅的应变，用于模拟环境物理量使光纤光栅产生的应变。由光纤光栅的应变又可计算出传感光栅的波长变化。

光纤光栅应变传感器20原理图如附图3－2

光纤光栅粘接在悬臂梁距固定端根部x 位置，螺旋测微器调节挠度，由材料力学可知，光纤光栅的应变为：

33()l x dh l ε-=

（6） 其中l 、h 、d 分别表示梁的长度、挠度和中性面至表面的距离,η＝1－Pe Pe 是光纤有效光弹系数。挠度变化Δh 时，应变的变化量Δε及峰值波长的变化量为：

h l d x l ?-=?3)(3ε （7）

附图

3-2

附图3-1

T

t

t t αλ?+=0

(1)Pe ελλε?=-?

h Pe h ??-==??εεελβλ)1( （8）

εβ为光纤光栅悬臂梁波长调谐灵敏度（单位是nm/mm ），可理论计算，但主要是通过实验获得。作为光纤光栅应变传感器使用时，应变调谐灵敏度为：

εελβε)1(Pe h -=??

光纤光栅波长悬臂梁调谐器20中悬臂梁是79×5×1.4mm 钢带,螺旋测微器7最大行程为8mm,光纤光栅粘接在根部的5mm 处， 光纤光栅波长调谐灵敏度为0.38nm/mm （实际测量为0.3875，对应的应变调谐灵敏度为320με/mm ），最大调谐量3.8nm ；附图3－3是光纤光栅波长悬臂梁调谐曲线。

3.3 光纤光栅传感的测量方法

光纤光栅传感测量系统如附图3－4。光纤光栅传感属于波长编码类型，不同于普通光纤传感的强度型，光纤光栅传感测量系统核心部分是波长分析器。

光纤光栅传感测量系统工作过程及原理是：具有宽带特性的探测光源经光纤耦合器一个输出端、信号传输光纤到光纤光栅传感头，再由传感光栅反射，形成

附图3-4光纤光栅传感测量系统

附图3-3 光纤光栅波长悬臂梁调谐曲线

传感光栅的窄带反射光谱，再由传输光纤传输到波长分析器；波长分析器的功能类似光谱仪的分光功能，探测传感光栅光谱分布及其光谱变化，光电检测是将光栅光谱分布及其光谱变化转变成电信号的变化和数据处理，显示为传感结果输出，数据处理和显示可以由计算机完成。

光纤光栅传感的测量有多种方法，附图3－5是可调F-P 滤波器法的传感测量系统

在附图3－5中，波长分析器是一种电驱动的可调光纤F-P 滤波器。

本光纤光栅传感实验仪测量系统原理框图: 如附图3－6

在本测量系统中，波长分析器是一种悬臂梁可调光纤光栅滤波器，其原理图与图3－2光纤光栅应变传感器20相同，由螺旋测微器改变悬臂梁形变的挠度，改变滤波器光纤光栅的光谱分布位移。光电探测是一种宽带接收系统，光电探测到的光强值是传感光纤光栅光强分布曲线与滤波器光纤光栅光强分布曲线的卷积。其滤波器光纤光栅波长峰值与传感光纤光栅波长峰值相同时，光电信号达到极大值，极大值的波长位置即是传感光纤光栅波长位置。下图是在计算机光谱谱图界面上显示出的光纤光栅谱图。

抖动信混合器

附图3-5 可调F-P 滤波器法的传感测量系统

附图3-6 本光纤光栅传感实验仪测量系统原理框图

光纤光栅峰值位置的确定方法：方法有多种，比如，最大值法，极值微分法，适用于数据稳定情况；曲线形心法，即曲线切线交点定为峰值位置，切线是数据拟合结果，误差较小，本实验拟采用此方法。 光栅波长分辨率：V

V δδλλ

=??

V λ

??是曲线斜率，V δ是信号电压最小可测量稳定值。从上面图示显示出，实际谱图曲线斜率为1.176V/nm, 信号电压最小可测量稳定值V δ有4mV ，所以波长分辨率是4．7pm ，即温度测量分辩能力是0.13℃，应变测量分辩能力是

3.9με。

三、注意事项

1. 光纤跳线不要强拉硬拽，不要使弯曲半径过小。

2. 光纤跳线接头安装时，要对准插入，轻轻旋紧，仅防磨损光学表面。

3. 光纤跳线尽量保持在插入原位，不要频繁拔下插入。

4. 仪器需要10多分钟的预热时间。实验前要充分准备，熟悉实验步骤，数据测试要熟练紧凑，以免温度变化造成误差。

5. 实验结束后，螺旋测微器尽量保持在旋出位置，使悬臂梁处于无应力状态。

6. 测不到信号时，先检查跳线接头是否处于对准插入状态，检查接头表面是否过脏，检查传感波长位置是否处于可测量范围之内。

四、实验步骤

1. 光纤光栅温度传感实验

① 连接（测试单元图2－1中宽带光源1的输出接口3与宽带光源输入端4用跳线连接，将RS232接口与计算机连接，将光纤光栅传感单元中的光纤光栅温度传感信号输出端14或15与附图2-1光纤光栅传感信号输入接口12连接）。

② 温度调节钮旋至最小，开启电源，温度显示为室温温度，记录此时的温度0t ，启动计算机传感测试软件。

③ 在计算机传感测试软件的“模式选择”菜单下选“温度”。粗调确定出有光强信号输出的起始位置，再以一定的小进给量，缓慢转动波长调谐螺旋测微器7到需要的刻度位置即挠度（单方向转动，以消除螺距差，下同），观察计算机传感测试软件上传感光栅光谱分布曲线，直至光栅谱线全部显示出，这为一组室温下光纤光栅光谱分布曲线数据。记录室温下传感光栅光谱分布曲线的极大值波长0λ，作为此次实验的参考波长。

④ 转动传感单元上温度调节电位器，开始加热，5－6分钟后温度显示数字稳定，记录此时温度数据T 。重复步骤③，开始这一温度下的光纤光栅光谱分布曲线数据测试，记录传感测试软件上极大值波长的改变量λ?及温度的改变量t ?； ⑤ 重复步骤④，记录多组数据。

室温0t =? 参考波长0λ=？

⑥ 由0t t t =+?计算出测量温度，绘制测量温度值t 与传感器处的实际温度值T 关系曲线。

2. 光纤光栅应变传感实验

① 连接（光纤光栅传感单元中的光纤光栅应变传感信号输出端与附图2－1光纤光栅传感信号输入接口12连接）。

②应变调节钮旋至零刻度，开启电源（不开启传感单元电源），启动计算机传感测试软件。

③ 在计算机传感测试软件的“模式选择”菜单下选“应变”。基本与温度传感实验步骤相同，粗调确定出有光强信号输出的起始位置，再以一定的小进给量，缓慢转动波长调谐螺旋测微器7到需要的刻度位置即挠度，观察计算机传感测试软件上传感光栅光谱分布曲线，直至光栅谱线全部显示出，这为一组“零刻度传感应变”光纤光栅光谱分布曲线数据，记录“零刻度传感应变”极大值波长0λ。 ④ 转动传感调谐螺旋测微器一圈0.5mm,重复步骤③开始这一应变值下的光纤光栅光谱分布曲线数据测试，记录传感测试软件上传感应变下极大值波长与“零

刻度传感应变”极大值波长之差λ?及测量应变量ε；

⑤ 再转动传感调谐螺旋测微器一圈0.5mm,，开始下一应变值的数据测试，直至完成应变刻度最高8mm 的数据测试。

⑥ 利用给出的光纤光栅应变传感器波长－挠度灵敏度系数εβ可计算出应变传感器的各点实际应变：

h Pe ?-+E =E εε

λβ)1(0

绘制绘制测量应变ε与传感器处的实际应变值E 关系曲线。

五、思考题

1. 测量温度值t 与传感器处的实际温度值T 关系曲线，理想情况下，应是成45度夹角的直线，但由于种种误差原因，并非如此，分析原因。

2. 测量应变ε与传感器处的实际应变值E 关系曲线，理想情况下，应是成45度夹角的直线，但由于种种误差原因，并非如此，分析原因。