1、光纖溫度傳感實驗報告光纖傳感實驗報告1、基礎(chǔ)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基本工作原理。光纖Bragg光柵傳感是通過對在光纖內(nèi)部寫入的光柵反射或透射Bragg波長光譜的檢測實現(xiàn)被測結(jié)構(gòu)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XB=2A*( 1 )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

2、光效應(yīng)引起的。由公式 (1) 可知 ,Bragg波長是隨和而改變的。當(dāng)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J2 a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(dāng)周圍溫度改變時，會使n eff和上發(fā)生變化，從而引起B(yǎng)ragg波長的移動。通過測量

3、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(hù)，確保封裝結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度 ；(3)封裝結(jié)構(gòu)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(jìn)行封裝。蝶形片封裝光纖溫度傳感實驗報告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)懸在槽內(nèi)，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

4、是在套管內(nèi)填充環(huán)氧樹脂進(jìn)行溫度補(bǔ)償式分裝，另一類是套管封裝。/1J - - (.j寰-X 1一匸/ W環(huán)氧化合物/XX涂 51光纖程厠義舍管充崢光櫥1.3 管式封裝其他封裝方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基礎(chǔ)理論知識2） 驗證光纖光柵溫度傳感器相關(guān)理論3） 對比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 ）學(xué)會相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法2.2 實驗器材溫控箱、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）、相關(guān)軟件2.2 實驗過程第2頁光纖溫度傳感實驗

5、報告M Ltilim- 運(yùn) Nti數(shù)據(jù)處理 * 顯示光調(diào)儀！傳感器2.1 實驗系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖（1） 將各類器件按結(jié)構(gòu)圖連接好，將Bragg 光柵溫度傳感器放入溫控箱內(nèi)，檢查溫控箱氣密性。（2）打開數(shù)據(jù)采集軟件、解調(diào)儀，檢查傳感器聯(lián)通情況。（3）打開溫控箱電源進(jìn)行升溫實驗，溫度從30 到80 。每次 10 。遞增。80C70C60 C50 C40C30 CZ11320.3411 11320.191320.07451319.9751319.880111319.7852M10.55590.40480.28930.18980.09490k21321.1019 :1320.9751320.8571320

6、.7451320.63981320.5314 420.57050.44360.32560.21360.10840（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 1000ms ）（5） 達(dá)到 80 攝氏度后，進(jìn)行降溫實驗，溫度從80 。到 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）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： nm30C40C50 C60 C70 C80 C幾 11319.78521319.88011319.9751320.07451320.191320.3411AZ 100.09490.18980.28930.40

7、480.5559幾 21320.53141320.63981320.7451320.857:1320.975: 1321.1019 :AZ 200.10840.21360.32560.44360.5705（二）降溫溫度： C波長： nmFBG 升溫實驗波長輸出值光纖溫度傳感實驗報告降溫實強(qiáng)時 FBG 波栓輸值807060504030溫度（ 9）1321.21321 01320 81320.61320.41320 21320.01319 32.3 兩種封裝光纖光柵降溫波長輸出對比第4頁光纖溫度傳感實驗報告2.4 實驗數(shù)據(jù)分析傳感器的靜態(tài)特性是表示傳感器在被測輸入量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入一輸

8、出關(guān)系。衡量傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)是：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性。線性度線性度又稱非線性 ，是表征傳感器輸出一輸入校準(zhǔn)曲線與所選定的擬合直線之間吻合程度的指標(biāo)。通常用相對誤差來表示線性度，即eL = _max100%yFS式中 , max 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。升溫時正常封裝傳感器波長増量擬合曲線0.60.50.40.30.20.10,0304050607080涓度C)2.4 正常封裝傳感器升溫波長增量圖從圖中可以看出，正常封裝傳感器的靈敏度是S=y/Ax =0.01089,線性度 eL =99.748% 。第5頁光

9、纖溫度傳感實驗報告增敏傳感器升溫時波長增量0.60.50.40.30.21EqutHny = a * b*xWeiflhlWenghhngRe-sidusi5.46176E-4Sum ofPearsons f0.99677Adj. R-Sgur0-.99693V&lueSlandcird ErrG1M&rcept.33870.Q1&CP9SlopeO.D112?B2.7933E-4304050607080溫度C）2.5 增敏封裝傳感器升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=l y/Ax =0.01126, 線性度 eL =99.693% 。降溫時正當(dāng)封裝傳感器波長變化戟擬合

10、圖807060504030第6頁光纖溫度傳感實驗報告溫度（匸）2.6 正常封裝傳感器降溫波長變化量圖第7頁光纖溫度傳感實驗報告從圖中可以看出，增敏封裝傳感器的靈敏度是S=i y/.lx =0.01066, 線性度 eL =98.906% 。降溫時增敏傳感器波長變化量擬合曲線06O.5-O. .43 O. .2O307060504030溫度 (C)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 / 二 X = 0.01134, 線性度 eL =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 10.010893.398%0.01134靈敏度0.011260.010666.379% 1線