光纖光柵傳感器實(shí)驗(yàn)指南

光纖光柵傳感器實(shí)驗(yàn)指南【原理簡(jiǎn)述】1．光纖光柵結(jié)構(gòu)及傳感應(yīng)用圖1光纖光柵示意圖Bragg光纖光柵纖芯入射光反射光圖1光纖光柵示意圖Bragg光纖光柵纖芯入射光反射光光纖包層當(dāng)一束入射光照入光纖時(shí)，這種折射率周期變化的光纖光柵，將反射滿足（1）式相位匹配條件的入射光波：(1)式中B稱為Bragg波長(zhǎng)，為光柵周期，為光纖材料的有效折射率。如果光纖光柵的長(zhǎng)度為L(zhǎng),由耦合波方程可以計(jì)算出反射率R為：圖2為一個(gè)布喇格光纖光柵反射譜和透射譜。其峰值反射率Rm為:(2)圖2Bragg光纖光柵透射譜和反射譜反射的半值全寬度（FWHM）,即反射譜的線寬值為(3)當(dāng)光柵周圍的應(yīng)變?chǔ)呕蛘邷囟萒發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率發(fā)生變化，從而產(chǎn)生光柵Bragg信號(hào)的波長(zhǎng)位移△λ，通過(guò)監(jiān)測(cè)Bragg波長(zhǎng)偏移情況，即可獲得光柵周圍的應(yīng)變或者溫度的變化情況，因而光纖光柵可用以如：壓力、形變、位移、電流、電壓、振動(dòng)、速度、加速度、流量、溫度等多種物理量的傳感和測(cè)量。2．光纖光柵應(yīng)變傳感原理圖3光纖光柵應(yīng)變傳感頭光纖光柵粘接在懸臂梁距固定端根部x位置，螺旋測(cè)微器調(diào)節(jié)撓度。由材料力學(xué)可知，光纖光柵的應(yīng)變?yōu)椋海?）其中l(wèi)、h、d分別表示梁的長(zhǎng)度、撓度和中性面至表面的距離。撓度變化Δh時(shí)，應(yīng)變的變化量Δε及峰值波長(zhǎng)的變化量為：（5）（6)Pe是光纖有效光彈系數(shù)。由（5）、（6）式，光纖光柵應(yīng)變變化量Δε，可由波長(zhǎng)的變化量轉(zhuǎn)換計(jì)算出來(lái)，因此，光纖光柵應(yīng)變傳感的表達(dá)式為：（7）式（7）反映了波長(zhǎng)變化與應(yīng)變變化的函數(shù)關(guān)系，可由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出該關(guān)系。只要將波長(zhǎng)調(diào)諧靈敏度測(cè)出，（7）式就可以用來(lái)測(cè)量應(yīng)變了。【實(shí)驗(yàn)任務(wù)】光纖光柵應(yīng)變傳感實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量出（7）式所表示的應(yīng)變傳感器表達(dá)式，繪出傳感特征曲線，計(jì)算出波長(zhǎng)調(diào)諧靈敏度。方法與步驟按圖5連接光路，打開測(cè)試單元（大）電源。圖4實(shí)驗(yàn)線路圖圖5實(shí)物連線圖將傳感單元（?。┞菪郎y(cè)微計(jì)旋至靠里邊某一位置，讀下此時(shí)刻度。（此操作為讓傳感光柵產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變量，將會(huì)有一個(gè)與應(yīng)變相關(guān)的波長(zhǎng)反射至測(cè)試單元。）將測(cè)量單元的螺旋測(cè)微計(jì)從內(nèi)向外慢慢旋轉(zhuǎn)，同時(shí)觀察數(shù)顯表中電壓值的變化。隨著螺旋測(cè)微計(jì)慢慢外旋，電壓值會(huì)按“小—大—小”變化，如果把這些數(shù)值與對(duì)應(yīng)的刻度繪圖，會(huì)得到一個(gè)波形圖（如圖6）。仔細(xì)調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微計(jì)將電壓調(diào)至最大的波形峰值點(diǎn)，記錄此時(shí)螺旋測(cè)微計(jì)刻度。（此操作為用波長(zhǎng)掃描的方法尋找反射光的峰值波長(zhǎng)。）圖6電壓對(duì)應(yīng)與刻度的波形圖將傳感單元（?。┞菪郎y(cè)微計(jì)向外旋0.250mm，讀下此時(shí)刻度重復(fù)（3）－（5）步驟6次，測(cè)量數(shù)據(jù)填入下表：次數(shù)被測(cè)量123456△Eλ將代入公式λ=λ0+β*Kλ計(jì)算波長(zhǎng)，再將和代入公式△E=βεKε/(0.78λ)，計(jì)算應(yīng)變改變量E。（其中β=-0.3767，λ0=1554.4，βε=-0.4）完成上表6次測(cè)量和計(jì)算，繪圖表示應(yīng)變變化量△E與波長(zhǎng)λ的