光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn) 應(yīng)變是表征工程結(jié)構(gòu)安全的重要指標(biāo),人們通常通過檢測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變來評估一項(xiàng)工程的健康狀況。 光纖光柵傳感器以其靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、體積小、易于安裝、使用壽命長等特點(diǎn),在工程結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用。第1頁/共19頁v了解光纖光柵傳感器測量應(yīng)變的原理了解光纖光柵傳感器測量應(yīng)變的原理 ； v掌握光纖光譜儀的使用掌握光纖光譜儀的使用 ； v測量等強(qiáng)度梁產(chǎn)生的應(yīng)變，驗(yàn)證光纖光柵測量等強(qiáng)度梁產(chǎn)生的應(yīng)變，驗(yàn)證光纖光柵傳感器的波長漂移傳感器的波長漂移與應(yīng)變量與應(yīng)變量成線性關(guān)系成線性關(guān)系 ； 第2頁/共19頁（1）光纖光柵的光譜特性）光纖光柵的光譜特

2、性光纖光柵是利用光纖中的光纖光柵是利用光纖中的光敏性光敏性制成的。制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光所謂光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化的特性。而在纖芯內(nèi)形成的發(fā)生相應(yīng)變化的特性。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其作用的實(shí)質(zhì)就是在纖芯空間相位光柵，其作用的實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的（透射或反射）濾波器內(nèi)形成一個(gè)窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡?；蚍瓷溏R。第3頁/共19頁光纖光柵光纖光柵( (如圖如圖1 1所示所示) ) 是性能優(yōu)良的敏感元件是性能優(yōu)良的敏感元件, ,它通過柵格反射波長它通過柵格反射

3、波長的移動來感應(yīng)外界物理的移動來感應(yīng)外界物理量的微小變化。量的微小變化。 圖圖1 光纖光柵結(jié)構(gòu)光纖光柵結(jié)構(gòu) 第4頁/共19頁 根據(jù)光纖耦合模理論，當(dāng)寬帶光在光纖光柵中傳輸時(shí), 將產(chǎn)生模式耦合, 滿足布喇格條件的光被反射:2Beffn（1）其中其中,為光柵周期為光柵周期,neff為有為有效折射率。其余的光將透射效折射率。其余的光將透射過去，如圖過去，如圖2所示。所示。 圖圖2 光纖光柵傳感原理光纖光柵傳感原理第5頁/共19頁（2）光纖光柵的應(yīng)變）光纖光柵的應(yīng)變當(dāng)光柵周圍的溫度、應(yīng)變、應(yīng)力或其他待測當(dāng)光柵周圍的溫度、應(yīng)變、應(yīng)力或其他待測物理量發(fā)生變化時(shí)物理量發(fā)生變化時(shí),將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折將導(dǎo)致

4、光柵周期或纖芯折射率發(fā)生變化射率發(fā)生變化,從而產(chǎn)生光柵反射波長的漂移從而產(chǎn)生光柵反射波長的漂移,通過監(jiān)測反射波長漂移情況通過監(jiān)測反射波長漂移情況,即可獲得待測即可獲得待測物理量的變化情況。物理量的變化情況。 第6頁/共19頁由應(yīng)變導(dǎo)致反射波長的變化的關(guān)系式為：由應(yīng)變導(dǎo)致反射波長的變化的關(guān)系式為：(1)P（2）其中，其中，P為光纖的有效彈光系數(shù)，為光纖的有效彈光系數(shù)，為應(yīng)變變?yōu)閼?yīng)變變化量。通過在等強(qiáng)度梁末端加載砝碼使之產(chǎn)生化量。通過在等強(qiáng)度梁末端加載砝碼使之產(chǎn)生應(yīng)變。應(yīng)變。 第7頁/共19頁（3）等強(qiáng)度梁的應(yīng)變公式）等強(qiáng)度梁的應(yīng)變公式利用如下公式：利用如下公式：2hXl（3）計(jì)算等強(qiáng)度梁產(chǎn)生的應(yīng)

5、變。其中計(jì)算等強(qiáng)度梁產(chǎn)生的應(yīng)變。其中h為梁的厚為梁的厚度，度，l為梁的固定端到自由端的長度，為梁的固定端到自由端的長度，X為為梁的撓度。如圖梁的撓度。如圖3所示。所示。第8頁/共19頁blh圖圖3 等強(qiáng)度梁幾何尺寸等強(qiáng)度梁幾何尺寸第9頁/共19頁光譜儀FBG 傳感器恒溫箱砝碼等強(qiáng)度梁耦合器寬帶光源第10頁/共19頁等強(qiáng)度梁試驗(yàn)臺等強(qiáng)度梁試驗(yàn)臺通過加載砝碼產(chǎn)生應(yīng)變通過加載砝碼產(chǎn)生應(yīng)變光纖光柵應(yīng)力傳感器光纖光柵應(yīng)力傳感器第11頁/共19頁寬帶光源和直流電源寬帶光源和直流電源第12頁/共19頁光纖光譜儀光纖光譜儀第13頁/共19頁耦合器耦合器法蘭盤法蘭盤第14頁/共19頁（1）光纖光柵的光譜特性）光

6、纖光柵的光譜特性光譜儀寬 帶 光源光 纖 光柵耦合器圖4 光譜測量裝置圖通過法蘭盤、跳線將光纖光柵傳感器、寬帶光源、光纖光譜儀按圖通過法蘭盤、跳線將光纖光柵傳感器、寬帶光源、光纖光譜儀按圖4連接。連接。設(shè)定光譜儀波長范圍，掃描光纖光柵光譜曲線。設(shè)定光譜儀波長范圍，掃描光纖光柵光譜曲線。觀察并記錄峰值波長、帶寬。觀察并記錄峰值波長、帶寬。第15頁/共19頁（2）光纖光柵的應(yīng)變測試）光纖光柵的應(yīng)變測試測量等強(qiáng)度強(qiáng)幾何參數(shù)測量等強(qiáng)度強(qiáng)幾何參數(shù)h、l；將光纖光柵傳感器固定在等強(qiáng)度梁上，記錄此時(shí)將光纖光柵傳感器固定在等強(qiáng)度梁上，記錄此時(shí) 光纖光柵的中心波長。光纖光柵的中心波長。在梁的末端加載砝碼，每次加載的砝碼重量為在梁的末端加載砝碼，每次加載的砝碼重量為 250g。測量并記錄每次加載產(chǎn)生的撓度和光纖。測量并記錄每次加載產(chǎn)生的撓度和光纖光光 柵反射波長；柵反射波長；計(jì)算每次加載光纖光柵的波長漂移，即加載后的計(jì)算每次加載光纖光柵的波長漂移，即加載后的 波長與中心波長的差值。利用公式（波長與中心波長的差值。利用公式（3）計(jì)算每）計(jì)算每 次加載產(chǎn)生的應(yīng)變。然后將數(shù)據(jù)記錄在表次加載產(chǎn)生的應(yīng)變。然后將數(shù)據(jù)記錄在表1中。中。 第16頁/共19頁h = = l = = 光纖光柵中心波長光纖光柵中