实验光纤光栅传感实验

1 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： e f fBn2 (1) 式中B 为 Bragg 波长（即光栅的反射波长）， 为光栅周期，effn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 2  sLsLssLAARir22222*2sinh)2/(coshsinh)0(0 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mR 为: effmnnLR2tanh 2 (2) 反射的半值全宽度（FWHM）,即反射谱的线宽值 22  effBBnnL (3) （1）式中，,effn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)BaTPe  (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...