光纤传感实验报告

光纤传感实验报告

１、基础理论 1 1 、1 1 光纤光栅温度传感器原理

1、１、1 光纤光栅温度传感原理 光纤光栅得反射或者透射峰得波长与光栅得折射率调制周期以及纤芯折射率有关,而外界温度得变化会影响光纤光栅得折射率调制周期与纤芯折射率，从而引起光纤光栅得反射或透射峰波长得变化,这就是光纤光栅温度传感器得基本工作原理.光纤 Bragg 光栅传感就是通过对在光纤内部写入得光栅反射或透射 Brａｇg 波长光谱得检测，实现被测结构得应变与温度得绝对测量。由耦合模理论可知，光纤光栅得 Bragｇ中心波长为

式中 Λ为光栅得周期;nｅff 为纤芯得有效折射率。外界温度对 Bｒａgg 波长得影响就是由热膨胀效应与热光效应引起得。由公式(1）可知,Bｒagg 波长就是随与而改变得。当光栅所处得外界环境发生变化时,可能导致光纤光栅本身得温度发生变化。由于光纤材料得热光效应，光栅得折射率会发生变化;由于热胀冷缩效应，光栅得周期也会发生变化，从而引起与得变化，最终导致 Brａｇg 光栅波长得漂移。

只考虑温度对 Bragｇ波长得影响，在忽略波导效应得条件下,光纤光栅得温度灵敏度为

式中Ｆ为折射率温度系数;α 为光纤得线性热膨胀系数；p１1 与 p12 为光弹常数。

由式（2)可知光纤光栅受到应变作用或当周围温度改变时，会使 n eｆf 与发生变化,从而引起Ｂｒａgg 波长得移动。通过测量Ｂrａｇg 波长得移动量,即可实现对外部温度或应变量得测量。

1、1、2 光纤光栅温度传感器得封装 为满足实际应用得要求,在设计光纤光栅温度传感器得封装方法时，要考虑以下因素:(1)封装后得传感器要具备良好得重复性与线性度;(2）必须给光纤光栅提供足够得保护,确保封装结构要有足够得强度;(3）封装结构必须具备良好得稳定性,以满足长期使用得要求。为了能够有效起到增敏作用一般采用合金、钢、铜、铝等热膨胀系数大得材料对光纤光栅进行封装。

１、１、2、1 蝶形片封装

1、1 蝶形片封装 光纤预拉后两头用环氧树脂固定在蝶形片上，中间光栅工作区悬在槽内,测量时将蝶形片固定在待测物体上。

1、1、2、2 套管封装 套管分装一类就是在套管内填充环氧树脂进行温度补偿式分装,另一类就是套管封装。

1、２钢管内腔充满环氧树脂封装

1、3 管式封装 1、1、2、３其她封装方式 考虑到待测物及增敏敏效果等其她因素，还有其她一些特殊封装方式。

2、光纤光栅温度传感器得具体实验 2 2 、1 1 实验目得

(1)掌握光纤光栅温度传感器得基础理论知识 （２)验证光纤光栅温度传感器相关理论 （３)对比光纤光栅温度传感器在不同封装情况下传感效果 （4)学会各类仪器得造作与使用 （5)学会相关数据处理方法 2 2 、2 2 实验器材

温控箱、波长解调仪、两只支光纤光栅传感器(一支经过增敏镀膜处理)、相关软件 2 2 、2 2 实验过程

2、1 实验系统组成结构图 (1）将各类器件按结构图连接好，将 Bｒaｇg 光栅温度传感器放入温控箱内,检查温控箱气密性。

(2)打开数据采集软件、解调仪,检查传感器联通情况。

(３)打开温控箱电源进行升温实验,温度从 30°到 80°每次１0°递增。

（4）温控箱温度恒定时记录数据采集软件相关数据。(记录时间间隔 1－1000ms) （5)达到８0 摄氏度后，进行降温实验,温度从 80°到 3０°每次 1０°递减． (6)温控箱温度恒定时记录数据采集软件相关数据。

(7）数据处理与分析 ２、３采集数据

（一)升温

30 ℃

4０ ℃

50 ℃

60 ℃

７0 ℃

80 ℃

温度:℃

波长:nm

１ 1３19、7852 1３19、８801 1319、９75 132０、0745 １32０、19 13２0、３４11 1 0 0、0949 0、1898 0、2８93 0、４０48 0、５５59 ２ １３2０、5314 1３20、６３９８ 1320、７45 13２０、8５7 1３20、975 １３21、１0１9 2 0 0、1084 0、21３６ 0、325６ 0、4436 ０、57０５ （二）降温

８0 ℃

70 ℃

6０ ℃

５0 ℃

40 ℃

3０ ℃

1 1３20、3411 1３20、１9 1320、074５ １３1９、９７5 13１9、880１ １３19、７８52 1 0、5559 0、4048 0、2893 ０、１89８ 0、０９49 ０ 2 1321、１019 １320、９7５ 132０、85７ 1320、74５ 13２0、63９８ 13２０、531４ 2 0、570５ 0、4436 0、325６ 0、2１36 ０、1084 0 温度:℃

波长:nm 2 2 、2 两种封装光纤光栅升温波长输出对比

?２、4 4 实验数据 分析

传感器得静态特性就是表示传感器在被测输入量得各个值处于稳定状态时得输入一输出关系.衡量传感器静态特性得主要技术指标就是:线性度、灵敏度、迟滞与重复性。

2、4、１线性度 线性度又称非线性,就是表征传感器输出一输入校准曲线与所选定得拟合直线之间吻合程度得指标。通常用相对误差来表示线性度,即

式中,△ｍａx 为输出平均值与拟合直线间得最大偏差; 为理论满量程输出.本次实验采用最小二乘法直线法。

2 2 、４

正常封装传感器升温波长

2 2 、4 正常封装传感器升温波长增量图

从图中可以瞧出,正常封装传感器得灵敏度就是 S=0、０1０89，线性度=99、748%。

2 2 、5 5 增敏封装传感器升温波长变化量图

从图中可以瞧出，增敏封装传感器得灵敏度就是 S＝0、０1１26，线性度=９9、693%。

2 2 、6 正常封装传感器降温波长变化量图

从图中可以瞧出,增敏封装传感器得灵敏度就是 S＝0、01０66,线性度=９８、９０6％。

２、7 增敏封装传感器降温波长变化量图

从图中可以瞧出,增敏封装传感器得灵敏度就是 S=０、01134,线性度=99、85２% 测量数据处理汇总表

升温普通 升温增敏 灵敏度提高 降温普通 降温增敏 灵敏度提高 灵敏度 ０、０10８９ 0、01126 3、398％ 0、01066 0、０1１34 6、379% 线性度 ９9、7５% 99、69%

98、9１% 9９、８5%

从表中可以可以瞧出增敏后传感器灵敏度有明显提高。

3、实验结论 1、光纤光栅温度传感器有较好得温度灵敏度; 2、升温时与降温时灵敏度数据有差别； 3、通过实验发现不同封装与加工工艺对光纤光栅温度传感器对温度得灵敏度有很大影响，增敏封装后得光纤传感器灵敏度提高比较明显。

2 2 、3 两种封装光纤光栅降温波长输出对比

作者的写作风格值得借鉴！

主旨分明。

第一章 光纤传感器

1.1 概论

1.1.1 光纤传感器技术的形成及其特点

（1） 来源

上世纪70年代发展起来的一门崭新的技术，是传感器技术的新成就。

最早用于光通信技术中。在实际光通信过程中发现，光纤受到外界环境因素的影响，如：压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。

（2）特点

灵敏度高、结构简单、体积小、耗电量少、耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲，以及便于实现遥测等。

1.1.1 光纤传感器的组成与分类

（1）组成

光纤、光源、探测器

（2）分类：一般分为两大类

功能型传感器：利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器。

只能用单模光纤构成。

传光型传感器：光纤仅仅起传输光波的作用，必须在光纤端面或中间加装其它敏感元件才能构成传感器。主要由多模光纤构成。

（a）功能型

（b）传光型

图1-1 光纤类型

根据对光调制的手段不同，光纤传感器分为：强度调制型、相位调制型、频率调制型、偏振调制型和波长调制型等。

根据被测参量的不同，光纤传感器又可分为位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、应变、电压、电流、磁场、化学量、生物量等各种光纤传感器。

举例：

功能型：测温等

传光型：光纤血流计

1 1.2 光导纤维以及光在其中的传输

1.2.1 光导纤维及其传光原理

(1)芯子：直径只有几十个微米；芯子的外面有一圈包层，其外径约为：100－200?m (2)数值孔径：NA?sin?max?n12?n22

(3)光纤（或激光）的模：包括横模和纵模

激光的横模：光束在谐振腔的两个反射镜之间来回反射将形成各种光程差的光波存在，这些光波的相互干涉可能使振动加强或减弱。但是只有那些加强的光波才有可能产生振荡。显而易见，这些光波的位相差??必须是2?的整数倍，即

???2?N??

—光波在谐振腔中经过一个来回时的位相差。同时又知道：

2nL

????

L—谐振腔的长度； n—腔内介质的折射率；

?—激光波长。

根据上面两个式子得出符合谐振条件的光波波长为

?N?

或谐振频率为

?N?Nc2nL2nLN

激光的纵模：原则上谐振腔内可以有无限多个谐振频率，每一种谐振频率代表一种振荡方式，成为一个模式。对轴向稳定的光场分布模式通常称为轴模或纵模。

光纤的纵模：沿着芯子传输的光，可以分解为沿轴向与沿界面传输的两种平面波成分。因为沿截面传输的平面波是在芯子与包层的界面处全反射的，所以，每一往复传输的相位变化是2?整数倍时，就可以在界面内形成驻波。像这样的驻波光线组又称为“模”。 “模”只能离散地存在。就是说，光导纤维内只能存在特定数目的“模”传输光波。如果用归一化频率?表达这些传输模的总数，其值一般在?22—?24之间。归一化频率

??2?aNA?

能够传输较大?值的光纤成为多模光纤；仅能传输?小于2.41的光纤称为单模光纤。二者都称为普通光纤。?越小，越容易实现单模。

2 1.3 光纤传感器对光源的要求

1.3.1 对光源的要求

（1）由于光纤传感器结构有限，要求光源的体积小，便于与光纤耦合；

（2）光源要有足够的亮度；

（3）光波长适合，以减少传输损耗；

（4）光源工作时稳定性好、噪声小，能在室温下连续长期工作；

（5）便于维修，使用方便。

1.3.2 光源的种类

光纤传感器使用的光源分为相干光源和非相干光源两大类。

常用的相干光源有：半导体激光器、氦氖激光器和固体激光器等。

常用的非相干光源有：白炽光源、发光二极管。

1.4 光纤传感器用光探测器

1.4.1 光纤传感器对光探测器的要求

一般要求如下：

（1） 线性好，按比例地将光信号转换为电信号；

（2） 灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较大的电信号； （3） 响应频带宽、响应速度快，动态特性好； （4） 性能稳定，噪声小等。

1.4.2 光纤传感器常用的光探测器

在光纤传感器中常用的光探测器大多是光电式传感器（也称光电器件）。光电式传感器所应用的效应分为内光电效应与外光电效应。内光电效应又分为光电导效应、光生伏特效应和光磁电效应。

光纤传感器常用的光探测器有： （1）光敏二极管、光电倍增管。

它们的特点是响应速度较快，一般只需要几个纳秒。

一般只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。 （2）光敏电阻

它是利用光电导效应：即当光照射在某些半导体材料表面上时，透入内部的光子能量足够大，半导体材料中一些电子吸收了光子的能量，从原来束缚状态变成为能导电的自由状态，这时半导体的电导率增加，也就是电阻值下降。

（3）光电池

利用光生伏特效应，直接将光能转换为电能的光电器件，它是一个大面积的pn结。

1.5 光调制技术

光纤传感器也利用光调制技术。按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到光在波上。而能完成这一过程的器件称为调制器。 1.5.1 相位调制与干涉测量

相位调制常与干涉测量技术并用，构成相位调制的干涉型光纤传感器。

其基本原理是通过被测物理量的作用，使某段单模光纤内传播的光波发生相位变化。

实现干涉测量的常用干涉仪主要有四种：迈克耳逊干涉仪、马赫—泽德干涉仪、赛格纳克干涉仪和法布里—珀罗干涉仪。

光学干涉仪的共同特点是它们的相干光在空气中传播，由于空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射扰动及声波干扰。这种影响就会导致空气光程的变化，从而引起测量工作不稳定，以致准确度降低。利用单模光纤作干涉仪的光路，就可以排除上述影响，并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制，从而可以制造出千米量级光路长度的干涉仪。

图1-2 3db耦合器

当一真空中波长为?0的光入射到长度为L的光纤时，若以其入射端面为基准，则出射光的相位为

??2?L/?0?K0nL

式中，K0为光在真空中的传播常数；n为纤芯折射率。

由此可见，纤芯折射率的变化和光纤长度L的变化都会导致光相位的变化，即

???K0(?nL??Ln)

3dB耦合器：

如图所示，圆圈内的两股光纤是融合到一起的，所以输入为1，输出就为0.5，故称为3dB耦合器。

?10lgP1P0??10lg0.5P0P0?3.01

1.5.2 频率调制

光纤传感中的相位调制（或强度调制、偏振调制）是通过改变光纤本身的内部性能来达到调制的目的，通常称为内调制。而频率（或波长调制），基本上不是以改变光纤的特性来实现调制。因此，在这种调制中光纤往往只起着传输光信号的作用，而不是作为敏感元件。

一、光学多普勒频移原理

（1）相对论多普勒频移基本公式

光学中的多普勒现象是指由于观察者和目标的相对运动，使观察者接受的光波频率产生变化的现象。

f1?f1??v/c??2?12?1??v/c?cos???f?1??v/c?cos??

式中，c为真空中的光速；?为物体至光源方向与物体运动方向的夹角。

上述公式是相对论多普勒频移的基本公式。但是，一般最关心的还是物体所散射的光的频移，而光源与观察者是相对静止的。对于这种情况，可以作为双重多普勒来

4 考虑。

图1-3 多普勒频移

当物体相对于光源以速度v运动时，在P点所观察到的光频率为上面公式：

f1?f1??v/c??2?12?1??v/c?cos???f?1??v/c?cos?1?

在Q处观察到的光频率f2为

f2?f1?1??v/c?由于v＜＜c，所以上式写成

f2?f2?12?1??v/c?cos???f?1??v/c?cos?2?

?1?(v/c)cos?1?cos?2?

二、光纤多普勒技术

利用光纤多普勒频移原理，利用光纤传光功能组成测量系统，可用于普通光学多普勒测量装置不能安装的一些特殊场合，如密封容器中流速的测量和生物体中液体的测量。

1.6 光纤位移传感器

一、简单的光纤开关、定位装置

最简单的位移测量时采用各种光开光装置进行的，即利用光纤中光强度的跳变来测出各种移动物体的极端位置，如定位、技术，或者是判断某种情况。测量精度最低，它只反映极限位置的变化，其输出是跳变的信号。

图1-4 简单的光纤开关、定位装置

（a）计数装置；（b）编码器装置；（3）定位装置；（4）液位控制装置

二、移动球镜光学开关传感器

图1-5所示为一种移动球镜位移传感器原理图，这是一种高灵敏度面位移检测装置。

5 当球透镜在平衡位置时，从两个接收光纤得到的光强I1和I2是相同的。如果球透镜在垂直于光路方向上产生微小的位移，两光强将发生变化。光强比值I1I2的对比数值与球透镜位移量x呈线性关系，而光强的比值I1I2与初始光强无关。即：

lgI1I2?kx

图1-5 移动球镜位移传感器原理图

三、光纤自动测位装置

图1-6所示是用光纤传感器检测位置偏差的自动测位装置见图。被测工件在传送带上移动，两组光纤传感器的视场分别对准工件的两个边缘，测量工件边缘影响位置的变化。