光纖傳感實驗報告

1、光纖傳感實驗報告1、根底理論1.1光纖光柵溫度傳感器原理光纖光柵溫度傳感原理光纖光柵的反射或者透射峰的波長與光柵的折射率調(diào)制周期以及纖芯折射率有關(guān)，而外界溫度的變化會影響光纖光柵的折射率調(diào)制周期和纖芯折射率，從而引起光纖光柵的反射或 透射峰波長的變化，這是光纖光柵溫度傳感器的根本工作原理。光纖Bragg光柵傳感是通過對在光纖部寫入的光柵反射或透射Bragg波長光譜的檢測實現(xiàn)被測構(gòu)造的應(yīng)變和溫度的絕對測量。由耦合模理論可知，光纖光柵的Bragg中心波長為式中 A為光柵的周期；neff為纖芯的有效折射率。外界溫度對Bragg波長的影響是由熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起的。由公式（1）可知,Bragg波長

2、是隨和而改變的。當光柵所處的外界環(huán)境發(fā)生變化時，可能導(dǎo)致光纖光柵本身的溫度發(fā)生變化。由于光纖材料的熱光效應(yīng)，光柵的折射率會發(fā)生變化；由于熱脹冷縮效應(yīng)，光柵的周期也會發(fā)生變化，從而引起和的變化，最終導(dǎo)致 Bragg光柵波長的漂移。只考慮溫度對Bragg波長的影響，在忽略波導(dǎo)效應(yīng)的條件下，光纖光柵的溫度靈敏度為式中F為折射率溫度系數(shù)；a為光纖的線性熱膨脹系數(shù)；p11和p12為光彈常數(shù)。由式(2)可知光纖光柵受到應(yīng)變作用或當周圍溫度改變時，會使n eff和發(fā)生變化，從而引起B(yǎng)ragg波長的移動。通過測量Bragg波長的移動量，即可實現(xiàn)對外部溫度或應(yīng)變量的測量。光纖光柵溫度傳感器的封裝為滿足實際應(yīng)用的

3、要求，在設(shè)計光纖光柵溫度傳感器的封裝方法時，要考慮以下因素：(1)封裝后的傳感器要具備良好的重復(fù)性和線性度；(2)必須給光纖光柵提供足夠的保護，確保封裝構(gòu)造要有足夠的強度；(3)封裝構(gòu)造必須具備良好的穩(wěn)定性，以滿足長期使用的要求。為了能夠有效 起到增敏作用一般采用合金、鋼、銅、鋁等熱膨脹系數(shù)大的材料對光纖光柵進展封裝。1.121蝶形片封裝1.1蝶形片封裝光纖預(yù)拉后兩頭用環(huán)氧樹脂固定在蝶形片上，中間光柵工作區(qū)懸在槽，測量時將蝶形片固定在待測物體上。1.122套管封裝套管分裝一類是在套管填充環(huán)氧樹脂進展溫度補償式分裝，另一類是套管封裝。1.2鋼管腔充滿環(huán)氧樹脂封裝1.3管式封裝1.123其他封裝方

4、式考慮到待測物及增敏敏效果等其他因素，還有其他一些特殊封裝方式。2、光纖光柵溫度傳感器的具體實驗2.1實驗?zāi)康?掌握光纖光柵溫度傳感器的根底理論知識2驗證光纖光柵溫度傳感器相關(guān)理論3丨比照光纖光柵溫度傳感器在不同封裝情況下傳感效果4學(xué)會各類儀器的造作和使用5丨學(xué)會相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法2.2實驗器材、相關(guān)軟件溫控箱、波長解調(diào)儀、兩只支光纖光柵傳感器一支經(jīng)過增敏鍍膜處理2.2實驗過程2.1實驗系統(tǒng)組成構(gòu)造圖1將各類器件按構(gòu)造圖連接好，將Bragg光柵溫度傳感器放入溫控箱，檢查溫控箱氣密性。2丨翻開數(shù)據(jù)采集軟件、解調(diào)儀，檢查傳感器聯(lián)通情況。3丨翻開溫控箱電源進展升溫實驗，溫度從30。至呢0 °

5、每次10。遞增。4溫控箱溫度恒定時記錄數(shù)據(jù)采集軟件相關(guān)數(shù)據(jù)。記錄時間間隔1 1000ms5丨到達80攝氏度后，進展降溫實驗，溫度從 80。至至30 °每次10 °遞減。6溫控箱溫度恒定時記錄數(shù)據(jù)采集軟件相關(guān)數(shù)據(jù)。7丨數(shù)據(jù)處理與分析2.3采集數(shù)據(jù)一升溫溫度：C 波長:nm30 C40 C50 C60 C70 C80 C1319.7851320.34121319.88011319.9751320.07451320.191100.09490.18980.28930.40480.55591320.5311321.10241320.63981320.7451320.8571320.9

6、7590.10840.21360.32560.44360.570580 C70 C60 C50 C40 C30 C1320.3411320.0741319.8801319.785111320.1951319.9751210.55590.40480.28930.18980.09490二降溫溫度：C 波長：nm1321.1011320.6391320.531291320.9751320.8571320.7458420.57050.44360.32560.21360.10840FBG升溫實驗波怏輸出值1321.21321.0據(jù)分析1320.824實驗數(shù)1320.6傳感器的靜態(tài)特性是表示傳感器在被測輸

7、入量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入一輸出關(guān)1320.4 -系。衡量傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標是£期 1320 2邏241線性1320.0線性度:線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性。的指標。二又稱非線性，是表征傳感器輸出一輸入校準曲線與所選定的擬合直線之間吻合程度 韁常用相對誤差來表示線性度丄,即502.3兩種封裝光纖光柵降溫波増敏封裝304060max .7080柵降溫波長輸出比照式中,nax為輸出平均值與擬合直線間的最大偏差；yFs為理論滿量程輸出。本次實驗采用最小二乘法直線法。22兩種封裝光纖光柵升溫波長輸出比照2.4正常封裝傳感器升溫波長2.4正常封裝傳感器升溫波長增量圖從圖中可以看

8、出，正常封裝傳感器的靈敏度是S= y/ x 0.01089,線性度q =99.748%增嫩傳感器升溫時波艮増雖6 5ao,用敏件感器輸出波民增雖 擬合肖線304050607080-Equabany + f st/Weigtil RKkdLUi Sum OfIMq WegMlng5 44176E>4-x7"Prarson's- r0 9M77一/Ad| R-Squar' /VdlueSlBndard Err-/G1lnrcetSl4p«-O.3M70 011260 01&042.7®33E-4度（匸）2.5增敏封裝傳感器升溫波長變化量圖

9、從圖中可以看出，增敏封裝傳感器的靈敏度是S= y/ x 0.01126,線性度e =99.693%降溫時正需J裝傳感器波長變化吐擬合圖 .1 正常拊裝傳需器波K咚化他.擬合直統(tǒng)i-iA-EqujSlnni«pghfHooevu曲 SqulrHiPwKnl fAd= Fl £<|uwao wmVldBSlimdvd &ra chTtWMfflQUJTJSke0D1«5 1134SE-4L1比ihih8070605040306 5 o a4 3 2 1 o.aosa EU5超平翌o a沿滾(P)2.6正常封裝傳感器降溫波長變化量圖從圖中可以看出，增敏封裝

10、傳感器的靈敏度是S= y/ x 0.01066,線性度2=98.906%降溫時増敏傳感器波氏變化忙擬合曲線.6.5.4S.2. 1.0 o.o.a a 0 ao.T +W*hrto Wo-UbfliHmdua &jrr E*Fbwtc* i-fAa-$1i|m£weI f rmown«ffl125£>0 QIIM80增欲傳感辭液氏變化& 擬合亢線7060504030iai（L（nc）2.7增敏封裝傳感器降溫波長變化量圖從圖中可以看出，增敏封裝傳感器的靈敏度是S= y/ x 0.01134,線性度q =99.852%測量數(shù)據(jù)處理匯總表升溫普通升溫增敏靈敏度提高降溫普通降溫增敏靈敏度提高靈敏度0.010890.011263.398%0.010660.011346.3