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∆∆=
