光纖傳感實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、光纖傳感實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、基礎(chǔ)理論1.1光纖光柵溫度傳感器原理1.1.1光纖光柵溫度傳感原理光纖光柵的反射或者透射峰的波長與光柵的折射率調(diào)制周期以及纖芯折射率有關(guān)，而外 界溫度的變化會(huì)影響光纖光柵的折射率調(diào)制周期和纖芯折射率，從而引起光纖光柵的反射或 透射峰波長的變化，這是光纖光柵溫度傳感器的基本工作原理。光纖Bragg光柵傳感是通過對在光纖內(nèi)部寫入的光柵反射或透射Bragg波長光譜的檢測，實(shí)現(xiàn)被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度的絕對測量。由耦合模理論可知，光纖光柵的Bragg中心波長為2 打utf A *( 1式中 A為光柵的周期；neff為纖芯的有效折射率。外界溫度對Bragg波長的影響是由熱膨 脹效應(yīng)和熱光

2、效應(yīng)引起的。由公式(1)可知,Bragg波長是隨和而改變的。當(dāng)光柵所處的外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，可能導(dǎo)致光纖光柵本身的溫度發(fā)生變化。由于光纖材料的熱光效應(yīng)，光柵的折射率會(huì)發(fā)生變化；由于熱脹冷縮效應(yīng)，光柵的周期也會(huì)發(fā)生變化,從而引起和的變化，最終導(dǎo)致Bragg 光柵波長的漂移。只考慮溫度對Bragg波長的影響，在忽略波導(dǎo)效應(yīng)的條件下，光纖光柵的溫度靈敏度為式中F為折射率溫度系數(shù)；a為光纖的線性熱膨脹系數(shù)；p11和p12為光彈常數(shù)。由式(2)可知光纖光柵受到應(yīng)變作用或當(dāng)周圍溫度改變時(shí)，會(huì)使n eff和發(fā)生變化，從而引起B(yǎng)ragg波長的移動(dòng)。通過測量Bragg波長的移動(dòng)量，即可實(shí)現(xiàn)對外部溫度或應(yīng)變量的測

3、量。1.1.2光纖光柵溫度傳感器的封裝為滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，在設(shè)計(jì)光纖光柵溫度傳感器的封裝方法時(shí)，要考慮以下因素：(1)封裝后的傳感器要具備良好的重復(fù)性和線性度；(2)必須給光纖光柵提供足夠的保護(hù)，確保封裝結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度；(3)封裝結(jié)構(gòu)必須具備良好的穩(wěn)定性，以滿足長期使用的要求。為了能夠有效 起到增敏作用一般采用合金、鋼、銅、鋁等熱膨脹系數(shù)大的材料對光纖光柵進(jìn)行封裝。1.1.2.1蝶形片封裝* n1.2鋼管內(nèi)腔充滿環(huán)氧樹脂封裝1.1蝶形片封裝1.3管式封裝1.123其他封裝方式考慮到待測物及增敏敏效果等其他因素，還有其他一些特殊封裝方式。光纖預(yù)拉后兩頭用環(huán)氧樹脂固定在蝶形片上，中間光柵工作

4、區(qū)懸在槽內(nèi)，測量時(shí)將蝶形 片固定在待測物體上。1.122套管封裝套管分裝一類是在套管內(nèi)填充環(huán)氧樹脂進(jìn)行溫度補(bǔ)償式分裝，另一類是套管封裝。2、光纖光柵溫度傳感器的具體實(shí)驗(yàn)2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握光纖光柵溫度傳感器的基礎(chǔ)理論知識（2）驗(yàn)證光纖光柵溫度傳感器相關(guān)理論（3）對比光纖光柵溫度傳感器在不同封裝情況下傳感效果（4）學(xué)會(huì)各類儀器的造作和使用（5 ）學(xué)會(huì)相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法2.2實(shí)驗(yàn)器材溫控箱、波長解調(diào)儀、兩只支光纖光柵傳感器（一支經(jīng)過增敏鍍膜處理）、相關(guān)軟件2.2實(shí)驗(yàn)過程涂覆光軒棄氧合輛光纖光柯估廨器FBG 丁 溫實(shí)驗(yàn)敲快輸出他2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖（1） 將各類器件按結(jié)構(gòu)圖連接好，將Bragg

5、光柵溫度傳感器放入溫控箱內(nèi)，檢查溫控箱 氣密性。（2）打開數(shù)據(jù)采集軟件、解調(diào)儀，檢查傳感器聯(lián)通情況。（3 ）打開溫控箱電源進(jìn)行升溫實(shí)驗(yàn)，溫度從30°到80。每次10。遞增。80C70C60C50C40C30 C11320.34111320.191320.07451319.9751319.88011319.785210.55590.40480.28930.18980.0949021321.1019:1320.9751320.8571320.7451320.63981320.531420.57050.44360.32560.21360.10840（4） 溫控箱溫度恒定時(shí)記錄數(shù)據(jù)采集軟件相

6、關(guān)數(shù)據(jù)。（記錄時(shí)間間隔1 1000ms）（5） 達(dá)到80攝氏度后，進(jìn)行降溫實(shí)驗(yàn)，溫度從80。到30°每次10°遞減。（6）溫控箱溫度恒定時(shí)記錄數(shù)據(jù)采集軟件相關(guān)數(shù)據(jù)。（7 ）數(shù)據(jù)處理與分析2.3采集數(shù)據(jù)30 C40 C50 C60 C70 C80C1r 1319.7852P 1319.88011319.9751320.07451320.19 11320.341100.09490.18980.28930.40480.555921320.5314:1320.63981320.7451320.857:1320.9751321.1019200.10840.21360.32560.44

7、360.5705（一）升溫溫度：C 波（二）降溫溫度：C 波1321 21321 D1320B1320 S斗132Q.21320 0屆n-rFOGiw 出 m321 2ES.-4:垃巴0132D.B120 emo41»0 2uoo1319 Reo7DMlflO40»ifcAM(Tr)2.3兩種封裝光纖光柵降溫波長輸2.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析傳感器的靜態(tài)特性是表示傳感器在被測輸入量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸入一輸出關(guān) 系。衡量傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)是：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性。2.4.1線性度max100%線性度又稱非線性，是表征傳感器輸出一輸入校準(zhǔn)曲線與所選定的擬合直線之

8、間吻合程度 的指標(biāo)。通常用相對誤差來表示線性度，即yFSeL式中, max為輸出平均值與擬合直線間的最大偏差；yFS為理論滿量程輸出。本次實(shí)驗(yàn)采用最小二乘法直線法。nw正常螞裝怙我崙也kw m川 u/v304070BDESEU螢2.4正常封裝傳感器升溫波長2.4正常封裝傳感器升溫波長增量圖從圖中可以看出，正常封裝傳感器的靈敏度是S= y / x 0.01089,線性度eL =99.748%。培無悻矮器輸山數(shù)怏0.2鼎*1Z屮噸Rd&Uidi liuMM15 4« 40.1.-PfmqKf iAqJIM*?buA>0.0-G1Hlnpl 4 】NT 盲加aoits2 g館

9、-1, |1iIdii.I3040 &060 70BO2.5增敏封裝傳感器升溫波長變化量圖從圖中可以看出，增敏封裝傳感器的靈敏度是S= y / x 0.01126,線性度eL =99.693%。降越詞止“-技傳址肚波幾變七出【打：0.60.5i5f*r正常封裂倍慮眷惟艮空比直*ftlAArli-0A-103r0.2h. ! '=*冊"町qOJiRid丹昌打”H仙衛(wèi)Hmr&pJm 4k * » * E »<O00ipaimqp 'SfcMHIQ L|Q7 jyThia bTEi hW-J：1L»亠|.NTOwHJ40w

10、2.6正常封裝傳感器降溫波長變化量圖降溫時(shí)增敏傳感器波氏變化屋擬合曲線Ir 1 1 11 1- 噌敏傳嬪器波K空化爭-擬合直線0.5L、-04-10.302!ri廠* 葉Rd-HlhH BadirEiiZCrZlRr 40.1=FhvwAi iOWuiM R $441BUff! ElZ-0.01niIIII 1 . 1 1807060504030溫度（£2.7增敏封裝傳感器降溫波長變化量圖從圖中可以看出，增敏封裝傳感器的靈敏度是S= y / x 0.01134,線性度eL =99.852%測量數(shù)據(jù)處理匯總表升溫普通升溫增敏靈敏度提高降溫普通降溫增敏靈敏度提高靈敏度0.010890.011263.398%0.010660.011346.379