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：
Λ
=eff B n 2λ (1)
式中B λ 为Bragg 波长（即光栅的反射波长）， Λ为光栅周期，eff n 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：
()sL
sL s sL A A R i r 2222
2*2
sinh )2/(cosh sinh )0(0βκκ?+==
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m R 为:
??
??
????Λ?=eff m n nL R 2tanh 2
π (2)
反射的半值全宽度（FWHM ）,即反射谱的线宽值
2
2
????
???+??? ??Λ=?eff B
B n n L λλ (3)
（1）式中，,eff n Λ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)B a T Pe λλξε=++-V V (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用途的传感头，测量光栅波长的变化就可以计算出待测物理量的变化，所以（4）式是光栅传感的基本方程。
SGQ-1型光纤光栅传感实验仪是我公司设计的系列实验设备之一。通过本实验仪的相关实验使学生了解和掌握光纤光栅的基本特性、光纤光栅传感器的基本
附图1－2 曲线κL =2和κL =5的反射谱 附图1－3 布喇格光纤光栅透射
结构、光纤光栅传感的基本原理、光纤光栅传感测量的基本方法和原理，同时使学生了解光纤光栅和光纤传感的局限性。
2.光纤光栅传感实验仪基本结构
光纤光栅传感实验仪，它包括光纤光栅传感测试单元和光纤光栅传感单元，其基本结构如附图2－1、附图2－2。
图2－1 光纤光栅传感测试单元结构
1－ASE宽带光源2－1550nm信号光源输入接口
3－宽带光源输出接口4－宽带光源输入接口
5－光纤耦合器6－波长悬臂梁调谐器7－螺旋测微器
8－光强信号数字电压表8－光强信号接收放大电子线路
9－波长传感器信号接收放大电子线路
10－A/D转换及数据处理电子线路11－RS232数据输出接口
12－传感信号输入接口
13- 光纤光栅温度传感器14、15－温度传感信号输出接口1、2
16－加热装置 17－加热调节器 18- 温度检测装置 19－温度数字显示器 20－光纤光栅应变传感器 21－应变传感信号输出端 22－螺旋测微器
光纤光栅传感测试单元，它主要包括宽带光源1［掺铒（Er+）光纤ASE 宽带光源］，手动光纤光栅波长悬臂梁调谐器6、7，光强信号接收放大电子线路8，A/D 转换及数据处理电子线路10，光纤光栅波长传感器信号接收放大电子线路9，宽带光源输出3用光纤FC 接头跳线连接到机箱面板上，传感测试用宽带光源输入端4也连接到机箱面板上。此测试单元还有RS232数据计算机接口，有图形显示和数据处理软件，手动波长扫描，手工或计算机自动两种数据记录、描绘图形、数据处理方法。由光纤FC 接头跳线将光纤光栅传感测试单元接口12与光纤光栅传感单元接口15或21连接，可进行光纤光栅温度传感和光纤光栅应变传感或波分复用传感实验；宽带光源1有宽带输出接口3，可独立以宽带光源使用。
光纤光栅传感单元主要由光纤光栅温度传感器13和光纤光栅应变传感器20组成，光纤光栅温度传感器还有附属的加热及加热调节16、17和温度检测装置、温度数字显示器18、19，显示其实际温度；光纤光栅应变传感器20中光纤光栅粘接到悬臂梁上，光纤光栅应变由悬臂梁弯曲形变产生，连接到悬臂梁上的螺旋测微器22的进动量给出悬臂梁形变的挠度，进而计算出光纤光栅应变。 3. 光纤光栅传感的基本原理和光纤光栅传感测量的基本原理
光纤光栅受温度T 和应变ε同时影响时，光纤光栅峰值波长会发生变化，其相对变化量可以写成：
/()(1)a T Pe λλξε=++-V V (4)
其中a 、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，其值a ＝0.55×10－6,ξ＝8.3×10－6，即温度灵敏度大约是0.0136 nm /℃，（λ为1550nm ）；Pe 是有效光弹系数，大约为0.22，即应变灵敏度为0.001209 nm /m μ。 3.1 光纤光栅温度传感器
为了提高光纤光栅温度灵敏度，在光纤光栅温度传感器13中，是将光纤光栅封装在温度增敏材料基座上，外部有不锈钢管保护，外面有加热装置。如附图3－1。波长变化量及温度灵敏度分别为（请自行推算）：
/(()(1)())e j T a P a a λξλ??=++-- (5)
/t T λα??=
t α定义为该温度传感器的温度灵敏度，可由实验获得，大约是t α＝0.035nm/℃。由测量到的波长的变化量可计算出温度的变化0t t -：
在上面的公式中，
a ：石英材料（光纤光栅）光纤热膨胀系数0.5×10－6/℃ ξ：石英材料（光纤光栅）光纤热光系数8.3×10－6/℃
Pe ：石英材料（光纤光栅）光纤有效光弹系数，为0.22，η＝1－Pe ，
j a ：基座热膨胀系数
3.2 光纤光栅应变传感器
本实验仪的光纤光栅应变传感器是一种悬臂梁应变调谐机构。应用材料力学原理可以严格计算出光纤光栅的应变，用于模拟环境物理量使光纤光栅产生的应变。由光纤光栅的应变又可计算出传感光栅的波长变化。
光纤光栅应变传感器20原理图如附图3－2
光纤光栅粘接在悬臂梁距固定端根部x 位置，螺旋测微器调节挠度，由材料力学可知，光纤光栅的应变为：
3
3()l x dh l ε-=
（6）
其中l 、h 、d 分别表示梁的长度、挠度和中性面至表面的距离,η＝1－Pe Pe 是光纤有效光弹系数。挠度变化Δh 时，应变的变化量Δε及峰值波长的变化量为：
h l d
x l ?-=
?3)(3ε （7）
附图
3-2
附图3-1
T
t
t t αλ?+
=0
(1)Pe ελλε?=-?
h Pe h ??-==??εεελβλ
)1( （8）
εβ为光纤光栅悬臂梁波长调谐灵敏度（单位是nm/mm ），可理论计算，但主要是通过实验获得。作为光纤光栅应变传感器使用时，应变调谐灵敏度为：
εε
λβε)1(Pe h -=
??
光纤光栅波长悬臂梁调谐器20中悬臂梁是79×5×1.4mm 钢带,螺旋测微器7最大行程为8mm,光纤光栅粘接在根部的5mm 处， 光纤光栅波长调谐灵敏度为0.38nm/mm （实际测量为0.3875，对应的应变调谐灵敏度为320με/mm ），最大调谐量3.8nm ；附图3－3是光纤光栅波长悬臂梁调谐曲线。 3.3 光纤光栅传感的测量方法
光纤光栅传感测量系统如附图3－4。光纤光栅传感属于波长编码类型，不同于普通光纤传感的强度型，光纤光栅传感测量系统核心部分是波长分析器。
光纤光栅传感测量系统工作过程及原理是：具有宽带特性的探测光源经光纤耦合器一个输出端、信号传输光纤到光纤光栅传感头，再由传感光栅反射，形成
附图3-4光纤光栅传感测量系统
附图3-3 光纤光栅波长悬臂梁调谐曲线
传感光栅的窄带反射光谱，再由传输光纤传输到波长分析器；波长分析器的功能类似光谱仪的分光功能，探测传感光栅光谱分布及其光谱变化，光电检测是将光栅光谱分布及其光谱变化转变成电信号的变化和数据处理，显示为传感结果输出，数据处理和显示可以由计算机完成。
光纤光栅传感的测量有多种方法，附图3－5是可调F-P 滤波器法的传感测量系统
在附图3－5中，波长分析器是一种电驱动的可调光纤F-P 滤波器。 本光纤光栅传感实验仪测量系统原理框图: 如附图3－6
在本测量系统中，波长分析器是一种悬臂梁可调光纤光栅滤波器，其原理图与图3－2光纤光栅应变传感器20相同，由螺旋测微器改变悬臂梁形变的挠度，改变滤波器光纤光栅的光谱分布位移。光电探测是一种宽带接收系统，光电探测到的光强值是传感光纤光栅光强分布曲线与滤波器光纤光栅光强分布曲线的卷积。其滤波器光纤光栅波长峰值与传感光纤光栅波长峰值相同时，光电信号达到极大值，极大值的波长位置即是传感光纤光栅波长位置。下图是在计算机光谱谱图界面上显示出的光纤光栅谱图。
抖动信混合器
附图3-5 可调F-P 滤波器法的传感测量系统
附图3-6 本光纤光栅传感实验仪测量系统原理框图
光纤光栅峰值位置的确定方法：方法有多种，比如，最大值法，极值微分法，适用于数据稳定情况；曲线形心法，即曲线切线交点定为峰值位置，切线是数据拟合结果，误差较小，本实验拟采用此方法。
光栅波长分辨率：V V δδλλ
=??
V
λ
??是曲线斜率，V δ是信号电压最小可测量稳定值。从上面图示显示出，实际谱图曲线斜率为1.176V/nm, 信号电压最小可测量稳定值V δ有4mV ，所以
波长分辨率是4．7pm ，即温度测量分辩能力是0.13℃，应变测量分辩能力是
3.9με。
三、注意事项
1. 光纤跳线不要强拉硬拽，不要使弯曲半径过小。
2. 光纤跳线接头安装时，要对准插入，轻轻旋紧，仅防磨损光学表面。
3. 光纤跳线尽量保持在插入原位，不要频繁拔下插入。
4. 仪器需要10多分钟的预热时间。实验前要充分准备，熟悉实验步骤，数据测试要熟练紧凑，以免温度变化造成误差。
5. 实验结束后，螺旋测微器尽量保持在旋出位置，使悬臂梁处于无应力状态。
6. 测不到信号时，先检查跳线接头是否处于对准插入状态，检查接头表面是否过脏，检查传感波长位置是否处于可测量范围之内。
四、实验步骤
1. 光纤光栅温度传感实验
① 连接（测试单元图2－1中宽带光源1的输出接口3与宽带光源输入端4用跳线连接，将RS232接口与计算机连接，将光纤光栅传感单元中的光纤光栅温度传感信号输出端14或15与附图2-1光纤光栅传感信号输入接口12连接）。
② 温度调节钮旋至最小，开启电源，温度显示为室温温度，记录此时的温度0t ，启动计算机传感测试软件。
③ 在计算机传感测试软件的“模式选择”菜单下选“温度”。粗调确定出有光强信号输出的起始位置，再以一定的小进给量，缓慢转动波长调谐螺旋测微器7到需要的刻度位置即挠度（单方向转动，以消除螺距差，下同），观察计算机传感测试软件上传感光栅光谱分布曲线，直至光栅谱线全部显示出，这为一组室温下光纤光栅光谱分布曲线数据。记录室温下传感光栅光谱分布曲线的极大值波长
0λ，作为此次实验的参考波长。
④ 转动传感单元上温度调节电位器，开始加热，5－6分钟后温度显示数字稳定，记录此时温度数据T 。重复步骤③，开始这一温度下的光纤光栅光谱分布曲线数据测试，记录传感测试软件上极大值波长的改变量λ?及温度的改变量t ?； ⑤ 重复步骤④，记录多组数据。 室温0t =? 参考波长0λ=？
⑥ 由0t t t =+?计算出测量温度，绘制测量温度值t 与传感器处的实际温度值T 关系曲线。
2. 光纤光栅应变传感实验
① 连接（光纤光栅传感单元中的光纤光栅应变传感信号输出端与附图2－1光纤光栅传感信号输入接口12连接）。
②应变调节钮旋至零刻度，开启电源（不开启传感单元电源），启动计算机传感测试软件。
③ 在计算机传感测试软件的“模式选择”菜单下选“应变”。基本与温度传感实验步骤相同，粗调确定出有光强信号输出的起始位置，再以一定的小进给量，缓慢转动波长调谐螺旋测微器7到需要的刻度位置即挠度，观察计算机传感测试软件上传感光栅光谱分布曲线，直至光栅谱线全部显示出，这为一组“零刻度传感应变”光纤光栅光谱分布曲线数据，记录“零刻度传感应变”极大值波长0λ。 ④ 转动传感调谐螺旋测微器一圈0.5mm,重复步骤③开始这一应变值下的光纤光栅光谱分布曲线数据测试，记录传感测试软件上传感应变下极大值波长与“零
刻度传感应变”极大值波长之差λ?及测量应变量ε；
⑤ 再转动传感调谐螺旋测微器一圈0.5mm,，开始下一应变值的数据测试，直至完成应变刻度最高8mm 的数据测试。
⑥ 利用给出的光纤光栅应变传感器波长－挠度灵敏度系数εβ可计算出应变传感器的各点实际应变：
h Pe ?-+
E =E ε
ε
λβ)1(0
绘制绘制测量应变ε与传感器处的实际应变值E 关系曲线。
五、思考题
1. 测量温度值t 与传感器处的实际温度值T 关系曲线，理想情况下，应是成45度夹角的直线，但由于种种误差原因，并非如此，分析原因。
2. 测量应变ε与传感器处的实际应变值E 关系曲线，理想情况下，应是成45度夹角的直线，但由于种种误差原因，并非如此，分析原因。
自组式光栅光谱仪 一、实验目的 1、了解光栅的分光原理及主要特性； 2、了解光栅光谱仪的工作原理； 3、掌握利用光栅光谱仪进行测量的实验方法。 二、实验仪器 1低压汞灯及电源：2狭缝及固定调节架1个:0～2mm；3一维光栅及干板调节架1个；4、透镜及固定调节架3个（焦距f=60mm、焦距f=60mm、焦距f=200mm）； 5、白板1个； 6、读数显微镜及固定调节架1个。 三、实验原理 本实验用的是透射光栅，是用光学玻璃片刻制而成的(如图5-11-1)。当光照射到光栅表面时，刻痕处不透光。只有在两刻痕之间的光滑部分，光才能通过，相当于一条狭缝，因此，光栅实际上是一密排、均匀而又平行的狭缝。设a为缝宽，b为刻痕宽度，d=a+b称为光栅常数。 由夫琅和费衍射理论，当波长为λ的平行光束垂直照射到光栅平面时，在每一狭缝处都产生衍射，但由于各缝发出的衍射波都是相干光，彼此又产生干涉。这样就会在光栅后面的屏上形成一系列被相当宽的暗区隔开的亮度大、宽度窄的明条纹，成为谱线（如图5-11-2）。 如图5-11-3所示，设S为位于透镜L1第一焦平面上的细长狭缝，Ｇ为光栅，光栅的常数为d，L1射出的平行光垂直地照射在光栅Ｇ上。透镜L2将与光栅法线成θ角的衍射光会聚于其第二焦平面上的Pθ点。由夫琅和费衍射理论知，相邻两缝对应点出射的光束之光程差为：? = (a + b)sinθ = d sinθ 当衍射角符合下列条件: d sinθ = kλ k = ±1, ± 2, ± 3, ..., ± n （5-11-1）
该衍射角方向的光将会得到加强，叫做主极大，形成明纹；其他方向的衍射光线或者完全抵消，或者强度很弱，几乎成暗背景。（5-11-1）式称为光栅方程，其中：λ为单色光波长，k称为光谱线的级数。在k=0的方向上可观察到中央极强，称为零级谱线，其它谱线则对称地分布在零级谱线的两侧，如图5-11-2所示。 图5-11-3 平行光通过光栅 当k＝０时，任何波长的光均满足（5-11-1）式，亦即在θ = 0 的方向上，各种波长的光谱线重叠在一起，形成明亮的零级光谱；对于k 的其它数值，不同波长的光谱线出现在不同的方向上（θ的值不同），从而在不同的位置上形成谱线，称为光栅谱线。而与k的正负两组相对应的两组光谱，则对称地分布在零的光谱两侧。 若光栅常数d 已知，在实验中测定了某谱线的衍射角θ和对应的光谱级k ，则可由（5-11-1）式求出该谱线的波长λ；反之，如果波长λ是已知的，则可求出光栅常数d 。 四、实验内容 1、自组装置光栅光谱实验仪，实验装置图见图2所示。 光源发出的光经过60mm透镜会聚到狭缝上，光线经过狭缝（狭缝放置在200mm 透镜的前焦面上），从200mm透镜出来的光为平行光，再入射到光栅上。通过光栅衍射的光成像于60mm透镜的后焦平面上（实为无穷远处可调狭缝的像）。
光纤光栅传感器原理及应用 （武汉理工大学） 1光纤光栅传感原理 光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。 图1 FBG 结构及其波长选择原理图 在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。 （1）光纤光栅应变传感原理 光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。 （2）光纤光栅温度传感原理 光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。 反射光谱 入射光谱 投射光谱 入射光 反射光 投射光 包层 纤芯 光栅 光栅周期
2光纤光栅传感器特点 利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。 光纤光栅传感器可测物理量： 温度、应力/应变、压力、流量、位移等。 图2 光纤光栅传感器分布式测量原理 光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰 ● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上 3目前我校已经开展的工作（部分） 3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统 利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。 被测参量 宽带光源 光纤F-P 腔 测点1 测点2 测点3 测点n 波长 光 强 λ1 测点1 λ2 测点2 λ3 测点3 λn 测点n 光源波长
光纤光栅传感系统的详细介绍 本文介绍了光纤光栅传感系统的构成，分析了光纤光栅传感系统所用的3种不同的光源LED，LD和掺铒光源的性能，阐述了光纤光栅传感器的工作原理和各种不同的温度和应力的区分测量方法，描述了滤波法、干涉法、可调窄带光源法等几种常用的信号解调技术，最后，提出适应未来的需要如何对光纤光栅传感系统的光源、光纤光栅传感器和信号解调进行优化。 自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。 本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。 1、光纤光栅传感系统光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。 1.1 光源 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对
光栅光谱仪实验 一 实验目的 1、了解光栅光谱仪的工作原理 2、掌握利用光栅光谱仪进行测量的技术 二 实验仪器 WDS8A 型组合式多功能光栅光谱仪,计算机, 氘灯、钠灯、汞灯等各种光源 三 实验原理 光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器，基本结构如图1所示。它由入射狭缝S1、准直球面反射镜M1、光栅G 、聚焦球面反射镜M2以及输出狭缝S2构成。 衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散 器件。它是在一块平整的玻璃或金属材 料表面（可以是平面或凹面）刻画出一 系列平行、等距的刻线，然后在整个表 面镀上高反射的金属膜或介质膜，就构 成一块反射试验射光栅。相邻刻线的间 距d 称为光栅常数，通常刻线密度为每 毫米数百至数十万条，刻线方向与光谱 仪狭缝平行。入射光经光栅衍射后，相 邻刻线产生的光程差 (sin sin )s d αβ?=±，α为入射角， β为衍射角，则可导出光栅方程： (sin sin )d m αβλ±= (0.1) 光栅方程将某波长的衍射角和入射角通过光栅常数d 联系起来，λ为入射光波长，m 为衍射级次，取0,1,2,±±等整数。式中的“±”号选取规则为：入射角和衍射角在光栅法线的同侧时取正号，在法线两侧时取负号。如果入射光为正入射0α=，光栅方程变为sin d m βλ=。衍射角度随波长的变化关系，称为光栅的角色散特性，当入射角给定时，可以由光栅方程导出 cos d m d d βλβ=， (0.2) 复色入射光进入狭缝S1后，经M2变成复色平行光照射到光栅G 上，经光栅色散后，形成不同波长的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝S2上，再由S2后面的电光探测器记录该波长的光强度。光栅G 安装在一个转台上，当光栅旋转时，就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，光电探测器记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的波长）时的输出光信号强度，即记录了光谱。这种光谱仪通过输出狭缝选择特定的波长进行记录，称为光栅单色仪。 在使用单色仪时，对波长进行扫描是通过旋转光栅来实现的。通过光栅方程可以给出出射波长和光栅角度之间的关系（如图2所示） 2cos sin d m λψη=， (0.3) 图1光栅光谱仪示意图
第1章：光纤传感中的光学原理及效应 光学反射原理 分为镜面反射和漫反射 镜面反射和漫反射情况 基于反射原理的光纤传感器结构简单、工作可靠、成本低廉。主要应用于位移测量，振动测量，压力测量，浓度测量和液位测量。 光学折射原理
光学吸收原理 选择吸收：介质对某些波长的光的吸收特别显著 郎伯比尔(Lambert-Beer)定律： Lambert-Beer 定律是吸收光度法的基本定律，表示物质对某一单色光吸收的强弱与吸光物质浓度和厚度间的关系。 当气体浓度、光程均很小的时候，可以近似为： 光学多普勒效应 θ cos 11f f 02 20 0c u c u -= 雷达测速仪 检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波，通常是红外线，同时测量反射波的频率，根据
反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度．装有多普勒测速仪的警车有时就停在公路旁，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上。 声光效应 超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅 。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象，这种现象称之为声光效应。 利用声光衍射效应制成的器件，称为声光器件。声光器件能快速有效地控制激光束的强度、方向和频率，还可把电信号实时转换 为光信号。此外，声光衍射还是探测材料声学性质的主要手段。 主要用途有：制作声光调制器件，制作声光偏转器件，声光调Q 开关，可调谐滤光器，在光信号处理和集成光通讯方面的应用。 磁光效应 具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性发生变化，因而使得光波在其内部传输特性也发生变化的现象。 A 、法拉第效应：当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时，其偏振面发生旋转的现象，对于给定的介质，偏振面旋转角度=介质长度×磁场强度×维厄德系数 B 、磁光克尔效应：指一束线偏振光在磁化了的介质表面反射时，反射光将是椭圆偏振光，而且以椭圆的长轴为标志的“偏振面”相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。 分类： ①极化克尔效应，即磁化强度M 与介质表面垂直时的克尔效应，应用于磁光存储技术中 ②横向克尔效应：M 既平行于介质表面，但垂直于光的入射面 ③纵向克尔效应：M 既平行于介质表面，又平行于光的入射面 C 、磁致线双折射效应：某些由各向异性分子组成的介质，在不加磁场时表现为各向同性，加上足够强的外磁场时，分子磁矩受到了力的作用，各分子对外磁场有了一定的取向，使介质宏观上呈现各向异性，当光以不同于磁场方向通过这样的介质时，就会出现双折射现象。 电光效应 电光效应：指某些晶体的折射率因外加电场而发生变化的一种效应，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。 +++=20bE aE n n （6-3） 在上式中， aE 是一次项，由该项引起的折射率变化，称为线性电光效应或泡克耳斯（Pockels ）效
常见光纤光栅传感器工作原理 光纤光栅传感器的工作原理 光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1） 式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。 1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理 上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。 啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。 2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理 长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的
光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。Λ。式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LPG适用于多参数传感器。 光纤光栅传感器的应用 1、在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。 两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里－珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里－珀罗干涉仪（FFH），利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP～FBG实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已在5mε的测量范围内，实现了小于1με的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1nε/（Hz）1/2的动态应变灵敏度。
光栅光谱仪的使用 学号 2015212822 学生姓名张家梁 专业名称应用物理学（通信基础科学） 所在系（院）理学院 2017 年 3 月 14 日
光栅光谱仪的使用 张家梁 1 实验目的 1.了解光栅光谱仪的工作原理。 2.学会使用光栅光谱仪。 2实验原理 1. 光栅光谱仪 光栅光谱仪结构如图所示。光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅。入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上，因此入射狭缝的光经过球面镜后成为平行光入射到光栅上，衍射光经后球面镜后聚焦在出射狭缝上。光栅可在步进电机控制下旋转，从而改变入射角度和终聚焦到出射狭缝处光线的波长。控制入射光源的波长范围，确保衍射光无级次重叠，可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长。 光谱仪的光探测器可以有光电管、光电倍增管、硅光电管、热释电器件和CCCD 等多种，经过光栅衍射后，到达出射狭缝的光强一般都比较弱，因此本仪器采用光电倍增管和CCD 来接收出射光。 2. 光探测器 光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，它由光阴极、电子光学输入系统、倍增系统及阳极组成，并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极──打拿极(又称“倍增极”) ──阳极之间建立一个电位分布。光辐射照射到阴极时，由于光电效应，阴极发射电子，把微弱的光输入转换成光电子；这些光电子受到各电极间电场的加速和聚焦，光电子在电子光学输入系统的电场作用下到达第一倍增极，产生二次电子，由于二次发射系数大于1，电子数得到倍增。以后，电子再经倍增系统逐级倍增，阳极收集倍增后的电子流并输出光电流信号，在负载电阻上以电压信号的形式输出。
CCD 是电荷耦合器件的简称，是一种金属—氧化物—半导体结构的新型器件，在电路中常作为信号处理单元。对光敏感的CCD 常用作图象传感和光学测量。由于CCD 能同时探测一定波长范围内的所有谱线，因此在新型的光谱仪中得到广泛的应用。 3. 闪耀光栅 在光栅衍射实验中，我们了解了垂直入射时（Φ=90°）光栅衍射的一般特性。当入射角Φ=90°时，衍射强度公式为 光栅衍射强度仍然由单缝衍射因子和多缝衍射因子共同决定，只不过此时 当衍射光与入射光在光栅平面法线同侧时，衍射角θ取＋号，异侧时取－号。单缝衍射中央主极大的条件是u=0，即sinΦ=-sinθ或Φ=θ。将此条件代入到多缝干涉因子中，恰好满足v＝0，即0 级干涉大条件。这表明单缝衍射中央极大与多缝衍射0 级大位置是重合的（图9.1a），光栅衍射强度大的峰是个波长均不发生散射的0 级衍射峰，没有实用价值。而含有丰富信息的高级衍射峰的强度却非常低。 为了提高信噪比，可以采用锯齿型的反射光栅（又称闪耀光栅）。闪耀光栅的锯齿相当于平面光栅的“缝”。与平面光栅一样，多缝干涉条件只取决于光栅常数，与锯齿角度、形状
实验光纤布拉格光栅（FBG ）应变实验研究 【实验目的】 1) 了解光纤光栅传感器基本原理及FBG 应变测量的基本公式。 2) 了解飞机驾驶杆弹性元件的力学特性。 3) 学习光纤光栅应变测量的基本步骤和方法。 【实验原理】 1.光纤光栅传感器的基本原理及FBG 应变测量的基本公式 光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating, FBG ）用于传感测量技术，主要是通过外界物理量的变化对光纤光栅中心波长的调制来获取传感信息，因此它是一种波长调制型的光纤传感器。FBG 传感原理如图1所示。 图1中，当一束入射光波进入FBG 时，根据光纤光栅模式耦合理论，当满足满足相位 匹配条件时，反射光波即为FBG 的布喇格波长λB ，λB 与有效折射率n eff 和光栅周期Λ的关系为 Λ2eff B n =λ（1) 由式(1)可以知：n eff 与Λ的改变均会引起光纤光栅波长的改变，而且n eff 与Λ的改变与应变和温度有关。应变和温度分别通过弹光效应与热光效应影响n eff ，通过长度改变和热膨胀效应影响周期Λ，进而使λB 发生移动。将耦合波长λB 视为温度T 和应变ε的函数，略去高次项，则由应变和温度波动引起的光纤光栅波长的漂移可表示为 Λ ?+?Λ=?eff eff B 22n n λ (2) I λ I 输入光波 反射光波 透射光波 图1 FBG 传感原理示意图
由式(2)可知光纤光栅中心波长漂移量?λ对轴向应变?ε和环境温度变化?T 比较敏感。通过测量FBG 中心波长的变化，就可测量外界物理量的变化值（如应变、温度等）。 光纤光栅轴向应变测量的一般公式为 ()ελλe B Bz 1p -=?，也是裸光纤光栅轴向应变测量的计 算公式。由上式可知，?λBz 和ε存在线性关系，因此通过解调装置检测出布拉格波长的偏移量?λ，就可以确定被测量ε的变化。 2. 飞机驾驶杆弹性元件的力学特性 杆力传感器弹性元件采用平行梁形式，其结构如图2所示。弹性元件由互相交叉90°的两对关联平行梁组成一个测力悬杆，其中一组感受纵向作用力，另一组感受横向作用力，上下部分连为一体，增加了梁的刚度，提高了梁的固有频率并具有良好的散热条件。对其中每一方向作用力，由于其侧向刚度大，于是侧向负载能力强，与施加力平行的一对平行梁轴向应变可以忽略不计，外加力主要使与作用方向垂直的一对平行梁变形。 杆力传感器弹性元件为方框平行梁结构，为便于分析和简化计算，将方框平行梁简化为 一超静定刚架，力学模型如图3(a)所示。 因为刚架计算通常忽略轴力对变形的影响，力学模型又可进一步简化为一个反对称载 荷作用的刚架，简化后的力学模型如图3(b)所示，其中P=1/2P 0。将受反对称载荷作用的刚 架沿水平对称轴截开，这时垂直梁的截面上有三对内力力，即一对剪力X 、一对轴力N 、一对弯矩M ，多余约束力如图3(c)所示。根据结构力学反对称结构对称的外力为零的理论，因 图2弹性元件结构简图 (纵向) ) 图3简化后的模型 (a)超静定刚架结构 P 0 h (c) 多余未知力图 P P (b) 简化后力学模型 P P a
The research of FBG pressure sensing on the application of engineering ABSTRACT Fiber grating is one of the most rapid passive optical fiber components in recent years. Since 1978, the year when K.O.Hill and others first used the standing wave writing way in the germanium-doped fiber and make the world's first fiber grating, because of its’ many unique advantages, the use of the fiber grating in optical fiber communications Fields and fiber optic sensor Fields are broad prospected. With fiber grating manufacturing technology continues to improve, and the outcome of the application increasing, the fiber grating has been one of the most promising and representative optical passive components. The emergence of fiber grating makes many of the complex all-fiber communications and sensor networks possible, which greatly widened the scope of application of optical fiber technology. As sensor component, fiber grating also possesses other special functions. For example, high ability of resisting electromagnetism disturb, small size and weight, high temperature-proof, high ability of multiplex, being liable to connect with fiber, low loss, good spectrum characteristic, erosion-proof, high sensitivity, being liable to deform and so on. At present, the sensor that adopts FBG (fiber Bragg grating) as sensor components has become the main stream of development and cultivation. Pressure is the direct cause of the drifting of the Bragg wavelength of the grating, so research on the FBG pressure sensing character in-depth is important to the FBG sensing technology. The design is on the basis of understanding of FBG sensing elements; explore the using of FBG pressure character, so research on the FBG pressure sensing character in-depth is important to the FBG sensing technology. Bring forward a package project that can be used and the text.
【摘要】光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术。自1978年加拿大渥太华研究中心利用光纤的光敏效应成功制成第一根光纤光栅以来，光纤光栅传感器便因为体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等特点及其具有本征自相干能力强和能在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势而被广泛应用于各行各业。本文先对光纤光栅传感器的工作原理及其分类进行论述，接着简述光纤光栅传感器的一些重要应用，然后对光纤光栅传感器的研究方向进行简单分析，最后是小结和展望。 【关键词】传感器；光纤光栅传感器；光纤光栅传感技术 一、光纤光栅传感器的工作原理及其分类 光纤光栅是利用光致折射率改变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅传感器目前研究的主要有三种类型：一是利用光纤布喇格光栅（FBG ）背向反射特征制作的传感器；二是利用长周期光纤光栅（LPG ）同向透射特征制作的传感器；三是利用啁啾光纤光栅色散补偿特征制作的传感器。下面将对这三种传感器的传感机理进行简单概述。 1.1 光纤布喇格光栅传感原理 光纤布喇格光栅纤芯轴向的折射率呈现周期性变化，其作用的实质相当于是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。如图1-1所示，当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布喇格条件的波长将产生反射，其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输。 图1-1 光纤布喇格光栅原理图 光纤布喇格光栅反射谱的中心波长B λ满足 Λ=eff n 2B λ 其中，eff n 为有效折射率，Λ为光纤光栅栅距。 光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界条件诸如温度、压力等的作用下，光
光纤光栅传感系统的现状及发展趋势 自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。 本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。 1 光纤光栅传感系统 光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。 1．1 光源 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对波长编码，光源必须有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性，以满足分布式传感系统中多点多参量测量的需要。光纤光栅传感系统常用的光源的有LED，LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。LED光源有较宽的带宽，可达到几十个纳米，有较高的可靠性，但光源的输出功率较低，且很难与单模光纤耦合。LD光源具有单色性好、相干性强、功率高的特点。但LD光谱的稳定性差（4×10-4／℃）。因此，这2种光源自身的缺点制约了它们在光传感中的应用。掺杂不同种类、不同浓度的稀土离子的光源研究最广泛的是掺铒光源。现在C波段掺铒光源已经研制成功并使用，随着光通信中对通信容量和速度的要
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/db15283589.html, 光纤光栅应变传感器二维应变测量方法 作者：李金娟 来源：《无线互联科技》2015年第02期 摘要：文章介绍了光纤光栅二维应力传感测量的试验台的准备、光纤光栅的制备、光纤 光栅的粘贴、实验仪器、实验过程、光纤光栅测量应变与电阻应变片的测量结果作对比。实验结果说明利用光纤光栅应变花可以得出与电阻应变花一致的结果。 关键词：光纤光栅；电阻应变片；应变；直角应变花 光纤光栅应变花进行二维平面应力测量是通过三个光纤光栅的中心波长的变化来测定应变的，电阻应变片应变花测出的应变值对光纤光栅中心波长进行标定。所以粘贴时尽可能保证光纤光栅与对应的电阻应变片的测量方位一致。 1 实验台的准备 由于本实验需要用多个光纤光栅进行二维应力测量，所以不能使用一般的等强度梁，而是用一个十字架形结构，实际上也是一种等强度梁，不过这种装置有两个等强度梁，分别作为十字架的X轴向和Y轴向，用来施加压力，如图1所示。 这是实验的被测表面的俯视图，表面是由我们用一块马口铁皮做成的。实验时在X轴、Y 轴方向分别悬挂砝码盘。砝码的重力通过试验台的等悬梁臂结构拉伸X或者Y方向的铁皮，铁皮的应力的变化引起光纤光栅中心波长的变化，因此为了保证试验的效果，光纤光栅的粘贴必须使光栅光纤紧贴被测表面时同时发生应变。 2 光纤光栅的制备 实验台准备好后重要的是制备光纤光栅，本实验使用3只不同中心波长的光纤光栅，串联成直角应变花来测试动态应力的变化，因而需制备3只不同波长的光纤光栅。由于实验条件的限制，试验室中只有两块相位掩模板，在实验室中只能制备两只光纤光栅，另外一只光纤光栅是已经制备好的光纤光栅。三只光纤光栅的波长位置分别在：1532nm，1544nm，1548nm处附近。 根据实验条件，组建一个光纤光栅制作系统，制作方法采用目前最有效，也是最流行的相位掩模法，其实验系统如图2所示。 本实验用光纤，是载氢掺锗光敏光纤-普通光纤经过载氢处理（在室温下，压强为107Pa 的容器中，载氢两周左右），使得普通通信光纤的光敏性大大增加，达到写制光栅的要求。实验所用的光谱分析仪为国产AV6361，分辨率选择0.2nm，宽带光源使用LED。
光纤光栅传感技术的发展及应用 单嵩 北京工业大学应用数理学院 000612班 指导教师：王丽 摘要本文综述了当前国内外对光纤光栅传感器的研究历史和现状，论述了光纤光栅传感器的工作原理，介绍了传感器在响应压力方面的研究，并讨论了光纤光栅传感器所面临的问题。 关键词光纤，光栅，传感器 一、引言 光纤通信技术在过去二十年里有了惊人的发展，它的出现，使得全球电信网络上的传输需求以指数速率增长。而新一代光纤技术——光纤光栅将在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命。1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.HILL等人在研究光纤非线性光学性质时偶尔地制成了最初的光纤光栅并发现掺锗石英光纤紫外光敏特性。所谓光敏性是指光纤材料在一定波长的强光照射下，其折射率会发生永久变化。而折射率沿光纤按一定规律变化就可形成各种光纤光栅。1989年G.Meltz等人首次利用244nm的紫外光采用全息干涉的方法制作了侧面写入的光纤光栅，使得制作各种波长的光纤光栅成为可能。光纤光栅作为一种全光器件，其主要优点是低损耗、易于与其他光纤耦合、偏振不敏感，温度系数低、容易封装。根据光纤周期的不同，光纤光栅可以被分为短周期光纤光栅（FBG）和长周期光纤光栅（LPFG）。短周期光栅又称为Bragg光栅，它的周期尺寸可以与工作波长相比拟，一般约为0.5μm 。Bragg光栅可以有很多种应用，从滤波器、光分插复用器到色散补偿器。长周期光栅又称为传输光栅，它的周期要比工作波长大得多，从几百微米直到几个豪米。长周期光纤光栅的工作原理与Bragg光栅有所不同。在光纤Bragg光栅中，对于适当的波长，纤芯中前向传播模式的能量会被耦合进入后向传播模式中。而在长周期光栅中，纤芯中前向传播模式的能量将会被耦合到包层中前向传播的其它模式中。这些包层中的模式都是极高损耗的，随着它们沿光纤的传播，其能量迅速衰减。目前长周期光栅主要被用作滤波器及在掺铒光纤放大器中补偿不平坦的增益谱。 目前，围绕光纤光栅技术的研究主要分为二个方向: 一是光纤光栅致光机理和写入成栅技术的研究；二是关于光纤光栅应用技术的研究，由于光纤光栅本质上是一个带阻滤波器，因此在光纤通信和光纤传感方面应用广泛。光纤传感是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的优点。光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器接受，可方便地进行光电或电光转换。光纤工作频带宽，动态范围大，是一种优良的低损耗传输线和优良的敏感元件。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，成为传感技术的先导，在某些重要领域，如惯性导航、军用告警、智能材料结构、测试与控制、机器人及信息处理等方面得到了广泛的应用。 二、光纤光栅传感技术原理 1、光纤Bragg 光栅的应变响应机理
四、光纤光栅应力传感器工作原理 光纤光栅技术是利用紫外曝光技术在光纤芯中引起折射率的周期性变化而形成的。光纤光栅中折射率分布的周期性结构，导致某一特定波长光的反射，从而形成光纤光栅的反射谱。光纤光栅应力传感器通常是将光纤光栅附着在某一弹性体上，同时进行保护封装。反射光的波长对温度、应力和应变非常敏感，当弹性体受到压力时时, 光纤光栅与弹性体一起发生应变，导致光纤光栅反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移量的度量来实现对温度、应力和应变的感测。其工作原理如图1 图1给出了光纤光栅应力传感器与波长解调仪组成的应力测量系统。它主要 由四个部分组成，第一部分为宽带光源，第二部分为光纤光栅应力传感器， 光纤光栅传感测量系统由四个部分组成，第一部分为宽带光源，第二部分为光纤光栅应力传感器，第三部分为基于可调F-P 滤波器的波长解调仪，第四部分为计算机及软件分析处理系统。图中给出等间隔分布多个光纤光栅应力传感器，这些光纤光栅通常要进行串接。由宽带光源发出的宽带光信号经过隔离器和3dB 耦合器传输到串接的传感光栅上，经过这些光纤光栅的波长选择后，一组不同波长的窄带光被反射，反射光再次经过3dB 耦合器由波长解调仪接收，经过波长解调仪对这些波长进行识别，得到一组应力传感信息，当边坡内部应力发生变化时，通过光栅解调器检测出波长的变化即应力变化，之后输入到计算机进行数据分析处理，最后得到边坡受到压力的分布状况，根据监测对象内部变化情况，判断是否会产生塌方，起到报警作用。 计算机 波长解调仪 宽带光源 耦合器 光纤光栅应力传感器 图1测量系统光路示意图 光隔离器 扫描电压 抖动信号 可调F-P 滤波器 混合器 LP 滤波器
Optoelectronics 光电子, 2018, 8(3), 98-105 Published Online September 2018 in Hans. https://www.doczj.com/doc/db15283589.html,/journal/oe https://https://www.doczj.com/doc/db15283589.html,/10.12677/oe.2018.83014 Development in Fiber Bragg Grating Sensing Technology Shanchao Jiang School of Electrical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu Received: Aug. 21st, 2018; accepted: Sep. 6th, 2018; published: Sep. 13th, 2018 Abstract In order to promote the development of fiber Bragg grating (FBG) sensing technology, this paper introduces the development of fiber Bragg grating in its spectrum analysis, sensor parameters (such as strain, displacement, pressure, flow rate, anchor bolt, inclination, etc.) detection, multip-lexing technology and other aspects in detail. This provides basic support for further diversifica-tion and practicability of FBG sensing technology. Keywords FBG, Spectrum Analysis, Detection Sensor, Multiplexing Technology 光纤光栅传感技术发展综述 蒋善超 盐城工学院电气工程学院，江苏盐城 收稿日期：2018年8月21日；录用日期：2018年9月6日；发布日期：2018年9月13日 摘要 为促进光纤光栅传感技术的发展，本文较为详细的介绍了光纤光栅在其光谱分析、传感器参数(如应变、位移、压力、流速、锚索锚杆、倾斜等)检测、复用技术等方面的发展现状，为推动光纤光栅传感技术进一步的多样化、实用化提供基础支持。 关键词 光纤光栅，光谱分析，检测元件，复用技术
实验报告 题目: 光栅光谱仪的使用 姓名董芊宇 学院理学院 专业应用物理学 班级2013214103 学号2013212835 班内序号22 2015年9 月
一． 实验目的 1. 了解光栅光谱仪的工作原理。 2. 学会使用光栅光谱仪。 二． 实验原理 1.闪耀光栅 在光栅衍射实验中，我们了解了垂直入射时（φ=90?）光栅衍射的一般特性。当入射角φ=90?时，衍射强度公式为 22 2 sin sin sin I u Nv A u v = ???? ? ????? (9.1) 光栅衍射强度仍然由单缝衍射因子和多缝干涉因子共同决定。只不过此时 ()sin sin a u π φθλ= + (9.2) ()sin sin d v πφθλ =+ (9.3) 当衍射光与入射光在光栅平面法线同侧时，衍射角θ取+号，异侧时取-号，单缝衍射中央主 极大的条件是0u =，即sin sin φθ=-或?θ=-。将此条件代入到多缝干涉因子中，恰好满足0v =，即0级干涉最大条件。这表明单缝衍射中央极大与多缝衍射0级最大位置是重合的，光栅衍射强度最大的峰是个波长均不发生散射的0级衍射峰，没有实用价值。而含有丰富信息的高级衍射峰的强度却非常低。 为了提高信噪比，可以采用锯齿形的反射光栅（又称闪耀光栅）。闪耀光栅的锯齿相当于平面光栅的“缝”，与平面光栅一样，多缝干涉条件只取决于光栅常数，与锯齿角度、形状无关。所以当光栅常数及入射角与平面光栅一样时，两者0级极大的角度也一样。闪耀光栅的沟槽斜面相当于单缝，衍射条件与锯齿面法线有关。中央极大的衍射方向与入射线对称于齿面法线N ，于是造成衍射极大与0级干涉极大方向不一致。适当调整光栅参数，可以使光栅衍射的某一波长最强峰发生在1级或其他高级干涉极大的位置。 2.非平衡光辐射（发光） 处于激发态上的电子处于非平衡态。它向低能级跃迁时就会发光。设电子跃迁1 E 和0E ，发 射光子的能量为 10hc hv E E E λ ==-=? (9.4) 电子受光辐射激发到高能态上导致的发光成为光致发光。光致发光时，电子在不同能级间跃迁常见如下情况。 (1) 电子受光辐射激发，然后以无辐射情况跃迁到低能级。（无发射跃迁释放的能量转化成热能
光纤光栅传感技术的特点 桥梁结构长期在线健康监测需要测试多种参数，包括结构参数和环境参数，桥梁结构的裂纹乃至破坏的主要表象就是应力过大、变形过大。应力测试在桥梁结构的长期健康监测中至关重要，就桥梁应力测试而言：①传统的电阻应变片传感元件的性能也在不断的提高，作为钢结构的短期应变测量，还是能满足工程要求的；但其受环境影响较大，由于温漂和零漂的影响，长期应变测试的结果会严重失真。②在混凝土内部应力的测试中，短期观测可使用电阻应变片式的应变砖，而工程中更多地使用振弦式应变传感器。后者输出信息为频率特征，不受导线长度的影响，灵敏度和稳定性也较好。由于钢弦蠕变的原因，国产钢弦式应变传感器的正常使用期为3年左右。③由于机电类传感器的长期稳定性不好，桥梁结构的长期应变测试，通过国内外同行的大量实践，已将应变传感器锁定在光纤传感器上。 光纤传感器的种类较多，它能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势：如体积小、重量轻、灵活方便、本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温和无接地要求等，因此其应用范围非常广泛。早期的光纤传感器绝大部分是“光强型”和“干涉型”的。前者的信息读取是测量光强大小，因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量器件老化等因素会影响测量精度。后者的信息读取是观察干涉条纹的变化，它要求干涉条纹清晰；而清晰的干涉条纹来源于两路干涉光的光强相等，这使得光纤光路的灵活和连接的方便等优点大打折扣。同时由于它是一个过程传感器，并非状态传感器，要求有一个固定的参考点，也给工程应用带来了难度。因此这两类传感器在实际的工程应用中，由于安装要求高、环境影响大而受到很大的限制。 目前，应变测试的主导产品是光纤布喇格光栅(FBG)传感器，它不仅具有普