光纖傳感實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、光纖傳感實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、根底理論1.1光纖光柵溫度傳感器原理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(zhǎng)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(zhǎng)的變化，這是光纖光柵溫度傳感器的根本工作原理。光纖Bragg光柵傳感是通過(guò)對(duì)在光纖部寫(xiě)入的光柵反射或透射Bragg波長(zhǎng)光譜的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度的絕對(duì)測(cè)量。由耦合模理論可知，光纖光柵的Bragg中心波長(zhǎng)為去財(cái)価人.Cl)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(duì)Bragg波長(zhǎng)的影響是由熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起的。由公式 (1

2、)可知,Bragg波長(zhǎng)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(zhǎng)的漂移。只考慮溫度對(duì)Bragg波長(zhǎng)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A和1 rjK_Sesz irJI_ 卻滄二逓.FC I入皆/ill13-oc *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?chē)鷾囟雀淖儠r(shí)，會(huì)使n eff和發(fā)生變化，從而引起B(yǎng)ragg波長(zhǎng)的移動(dòng)。通

3、過(guò)測(cè)量Bragg波長(zhǎng)的移動(dòng)量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外部溫度或應(yīng)變量的測(cè)量。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(zhǎng)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(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝。蝶形片封裝1.1蝶形片封裝光纖預(yù)拉后兩頭用環(huán)氧樹(shù)脂固定在蝶形片上，中間光柵工作區(qū)懸在槽，測(cè)量時(shí)將蝶形片 固定在待測(cè)物體上。1.122套管封裝套管分裝一類(lèi)是在套管填充環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行

4、溫度補(bǔ)償式分裝，另一類(lèi)是套管封裝。J 丿丿 /2 / J :1J j 111uII蓋".一一舄曠;良品雜合管棄H化售物充埒光密徐H乳纖1.2鋼管腔充滿環(huán)氧樹(shù)脂封裝1.3管式封裝其他封裝方式考慮到待測(cè)物及增敏敏效果等其他因素，還有其他一些特殊封裝方式。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? 掌握光纖光柵溫度傳感器的根底理論知識(shí)2 驗(yàn)證光纖光柵溫度傳感器相關(guān)理論3 比照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(lèi)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、相關(guān)軟件溫控箱、波長(zhǎng)解調(diào)儀、兩只支光纖光柵傳感器一支經(jīng)過(guò)增敏鍍膜處理2.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

5、1 將各類(lèi)器件按結(jié)構(gòu)圖連接好，將 Bragg光柵溫度傳感器放入溫控箱，檢查溫控箱氣 密性。2 翻開(kāi)數(shù)據(jù)采集軟件、解調(diào)儀，檢查傳感器聯(lián)通情況。3 翻開(kāi)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。4 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)。記錄時(shí)間間隔1 1000ms5 到達(dá)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)一升溫 溫度：c 波長(zhǎng)：nm30 C40 C50 C60 C70 C80 C11319.78521319.88011319.9751320.07451320.191320

6、.3411100.09490.18980.28930.40480.555921320.53141320.63981320.7451320.8571320.9751321.1019200.10840.21360.32560.44360.5705二降溫 溫度：C 波長(zhǎng)：nm13212132101320.81320 6132041320.280 C70 cCC1111320.191320.07451319.9751121321.10191320.9751320.8571320.7451320.63980.57050.44360.32560.10841320.34700.1898300.55590.2

7、1362.2兩種封裝光纖光柵升溫波長(zhǎng)輸出比照400.4048800.094980 C1319.78521320.53145060嗣893度£'1319.88030 C0132081320 2132XJ 0啡能肘FBG肢1320aV1111"F1 *a.忡-r JV"1*1ws>-aIi *7UB1F-*11>11,JI1JL2.3兩種封裝光纖光柵降溫波長(zhǎng)輸出比照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(cè)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。線性度線性度又稱非線

8、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間吻合程度的指標(biāo)。通常用相對(duì)誤差來(lái)表示線性度，即eL式中, max為輸出平均值與擬合直線間的最大偏差小二乘法直線法。maX 100%yFS;yFS為理論滿量程輸出。本次實(shí)驗(yàn)采用最I(lǐng)燮播感器ifc長(zhǎng)和*擬汁dll袋2.4正常封裝傳感器升溫波長(zhǎng)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%増說(shuō)11感器0.60_50.402gptJr*0<10.080305060翻很IX皮I:沖色£htMMUMH2.5增敏封裝傳感器升溫波長(zhǎng)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%。inn142.6正常封裝傳感器降溫波長(zhǎng)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 0.01066,線性度 eL =98.906%2.7增敏封裝傳感器降溫波長(zhǎng)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(cè)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 010890011263.398%0 010660 011346.379%線性度99.75%99 69%98