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...