SGQ1型操作说明说明书Word文件下载.docx

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自动是指数据由RS232计算机接口输出逐点自动绘制。

1.3光纤光栅传感单元

温度传感器：

温度数字显示，温度连续可调，温度显示分辨率0.1℃，温度改变量＞15℃（波长变化范围＞0.5nm），两个传感信号输出接口，可任接一个单独使用，可与应变传感信号输出端串接，同时观测温度传感信号和应变传感信号。

应变传感器：

螺旋测微调节范围0~8.00mm，应变调节范围＞0~2500

，应变分辨率3

。

1.4电源

交流220V，功率＜5W。

二、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：

（1）

式中B为Bragg波长（即光栅的反射波长），为光栅周期，

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：

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Rm为:

（2）

反射的半值全宽度（FWHM）,即反射谱的线宽值

（3）

（1）式中，

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：

Δλ/λB=（α+ξ）ΔT+（1－Pe）ε（4）

其中α、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。

三、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。

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。

（预留了进行光纤M-Z干涉、光纤迈克尔逊干涉、光纤F-P干涉实验接口）

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。

四、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：

Δλ/λ=（α+ξ）ΔT+（1－Pe）ε（4）

其中α、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，其值α＝0.55×

10－6,ξ＝8.3×

10－6，即温度灵敏度大约是0.0136nm/℃，（λ为1550nm）；

Pe是有效光弹系数，大约为0.22，即应变灵敏度为0.001209nm/με。

4.1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）：

Δλ/ΔT=（（α+ξ）+（1－P）（αj－α））λ

Δλ/ΔT=αt

αt定义为该温度传感器的温度灵敏度，可由实验获得，大约是αt＝0.035nm/℃。

由测量到的波长的变化量可计算出温度的变化t-t0：

在上面的公式中，

α：

石英材料（光纤光栅）光纤热膨胀系数0.5×

10－6/℃

ξ：

石英材料（光纤光栅）光纤热光系数8.3×

Pe：

石英材料（光纤光栅）光纤有效光弹系数，为0.22，η＝1－Pe，

αj：

基座热膨胀系数

4.2光纤光栅应变传感器

本实验仪的光纤光栅应变传感器是一种悬臂梁应变调谐机构。

应用材料力学原理可以严格计算出光纤光栅的应变，用于模拟环境物理量使光纤光栅产生的应变。

由光纤光栅的应变又可计算出传感光栅的波长变化。

光纤光栅应变传感器20原理图如附图3－2

光纤光栅粘接在悬臂梁距固定端根部x位置，螺旋测微器调节挠度，由材料力学可知，光纤光栅的应变为：

（6）

其中l、h、d分别表示梁的长度、挠度和中性面至表面的距离,η＝1－Pe

Pe是光纤有效光弹系数。

挠度变化Δh时，应变的变化量Δε及峰值波长的变化量为：

（7）

（8）

为光纤光栅悬臂梁波长调谐灵敏度（单位是nm/mm），可理论计算，但主要是通过实验获得。

作为光纤光栅应变传感器使用时，应变调谐灵敏度为：

光纤光栅波长悬臂梁调谐器20中悬臂梁是79×

5×

1.4mm钢带,螺旋测微器7最大行程为8mm,光纤光栅粘接在根部的5mm处，光纤光栅波长调谐灵敏度为0.38nm/mm（实际测量为0.3875，对应的应变调谐灵敏度为320με/mm），最大调谐量3.8nm；

附图3－3是光纤光栅波长悬臂梁调谐曲线。

4.3光纤光栅传感的测量方法

光纤光栅传感测量系统如附图3－4。

光纤光栅传感属于波长编码类型，不同于普通光纤传感的强度型，光纤光栅传感测量系统核心部分是波长分析器。

光纤光栅传感测量系统工作过程及原理是：

具有宽带特性的探测光源经光纤耦合器一个输出端、信号传输光纤到光纤光栅传感头，再由传感光栅反射，形成传感光栅的窄带反射光谱，再由传输光纤传输到波长分析器；

波长分析器的功能类似光谱仪的分光功能，探测传感光栅光谱分布及其光谱变化，光电检测是将光栅光谱分布及其光谱变化转变成电信号的变化和数据处理，显示为传感结果输出，数据处理和显示可以由计算机完成。

光纤光栅传感的测量有多种方法，附图3－5是可调F-P滤波器法的传感测量系统

在附图3－5中，波长分析器是一种电驱动的可调光纤F-P滤波器。

本光纤光栅传感实验仪测量系统原理框图:

如附图3－6

在本测量系统中，波长分析器是一种悬臂梁可调光纤光栅滤波器，其原理图与图3－2光纤光栅应变传感器20相同，由螺旋测微器改变悬臂梁形变的挠度，改变滤波器光纤光栅的光谱分布位移。

光电探测是一种宽带接收系统，光电探测到的光强值是传感光纤光栅光强分布曲线与滤波器光纤光栅光强分布曲线的卷积。

其滤波器光纤光栅波长峰值与传感光纤光栅波长峰值相同时，光电信号达到极大值，极大值的波长位置即是传感光纤光栅波长位置。

下图是在计算机光谱谱图界面上显示出的光纤光栅谱图。

光纤光栅峰值位置的确定方法：

方法有多种，比如，最大值法，极值微分法，适用于数据稳定情况；

曲线形心法，即曲线切线交点定为峰值位置，切线是数据拟合结果，误差较小，本实验拟采用此方法。

光栅波长分辨率：

是曲线斜率,

是信号电压最小可测量稳定值。

从上面图示显示出，实际谱图曲线斜率为1.176V/nm,信号电压最小可测量稳定值

有4mV,所以波长分辨率是4．7pm,即温度测量分辩能力是0.13℃，应变测量分辩能力是3.9

五、实验及其操作

5.1光纤光栅温度传感实验

实验前的准备（对照附图2－1和附图2－2）

测试单元图2－1中宽带光源1的输出接口3与宽带光源输入端4用跳线连接，将RS232接口与计算机连接，将光纤光栅传感单元中的光纤光栅温度传感信号输出端14或15（用于与应变传感输出串接，作波分复用实验）与附图2-1光纤光栅传感信号输入接口12连接，温度调节钮旋至最小，开启电源，温度显示为室温温度，启动计算机传感测试软件，熟悉软件计算机界面操作，熟悉测试单元中光纤光栅波长调谐特性曲线方程和光纤光栅温度传感器传感特性方程（计算机操作界面中有其参数），即可进行光纤光栅温度传感实验。

手工记录数据温度测量实验：

先粗调确定出有光强信号输出的起始位置，再以一定的小进给量，缓慢转动波长调谐螺旋测微器7到需要的刻度位置即挠度（单方向转动，以消除螺距差，下同），记录刻度值和光强信号电压表8’显示电压值，直至螺旋测微器到光栅谱线全部显示出，这为一组室温下光纤光栅光谱分布曲线数据；

转动传感单元上温度调节电位器，开始加热，5－6分钟后温度显示数字稳定，重复上述步骤开始这一温度下的光纤光栅光谱分布曲线数据测试；

直至完成温度最高时的数据测试。

数据处理：

建议在计算机上应用Excel绘图软件,绘出每一个温度下光强－挠度曲线，利用给出的挠度－光纤光栅波长调谐曲线拟合直线方程参数（斜率及λ0）进一步绘出波长－光强温度传感光纤光栅光谱分布曲线，将曲线拟合成平滑的曲线，找出每个曲线的极大值波长，计算出每个温度下极大值波长与室温极大值波长之差Δλt，利用给出的光纤光栅温度传感器波长－温度关系式中波长－温度灵敏度αT计算出测量的温度：

绘制测量温度值t与传感器处的实际温度值T关系曲线。

理想情况下，应是成45度夹角的直线，但由于种种误差原因，并非如此。

计算出t的测量误差，并分析原因。

应用计算机界面自动进行温度测量实验：

手工记录数据进行温度测量实验的同时，计算机会自动记录显示传感光栅光谱分布曲线，手工确定参考波长位置和另一温度下光栅波长位置，自动显示波长差和温度差。

详见后面的介绍。

5.2光纤光栅应变传感实验

实验前的准备（对照附图2－1和附图2－2）

将光纤光栅传感单元中的光纤光栅应变传感信号输出端与附图2－1光纤光栅传感信号输入接口12连接，不开启传感单元电源。

启动计算机传感测试软件，熟悉软件计算机界面操作，熟悉测试单元中光纤光栅波长调谐特性曲线方程和光纤光栅应变传感器传感特性方程（计算机操作界面中有其参数），即可进行光纤光栅应变传感实验。

手工数据记录应变测量实验：

基本与温度传感实验步骤相同，以一定的小进给量，缓慢转动波长调谐螺旋测微器7到需要的刻度位置即挠度，记录刻度值和光强信号电压表8’显示电压值，直至螺旋测微器到光谱曲线全部显示出，这为一组“零刻度传感应变”光纤光栅光谱分布曲线数据；

转动传感调谐螺旋测微器一圈0.5mm,重复上述步骤开始这一应变值下的光纤光栅光谱分布曲线数据测试；

再转动传感调谐螺旋测微器一圈0.5mm,，开始下一应变值的数据测试，直至完成应变刻度最高8mm的数据测试。

应用Excel绘图软件,绘出每一个传感应变下光强－挠度曲线，利用给出的挠度－光纤光栅波长调谐曲线拟合直线方程参数（斜率及λ0）进一步绘出波长－光强应变传感光纤光栅光谱分布曲线，将曲线拟合成平滑的曲线，找出每个曲线的极大值波长，计算出每个传感应变下极大值波长与“零刻度传感应变”极大值波长之差Δλε。

各挠度下的测量应变是：

利用给出的光纤光栅应变传感器波长－挠度灵敏度系数βΕ可计算出应变传感器的各点实际应变：

绘制测量应变ε与传感器处的实际应变值Ε关系曲线。

理想情况下，应是成45度夹角的直线，但由于ε和Ε都可能存在测量误差等种种误差原因，并非成45度夹角的直线，并分析原因。

步骤与温度测量类似。

5.3可以自行安排的其他实验：

本实验仪是一种高分辩力的光谱分析仪（波长分辨率可达0.005nm），是一个光纤和光纤光栅实验平台，除上述的实验外，还可以安排如下有关光纤知识的实验：

5.3.1光纤弯曲损耗实验

1．光纤传光基本原理

光在光纤中能长距离（比如几十公里至几百公里）传输而衰减较小的原理是：

一是光在纤芯波导内是全反射式地向前传输，二是传输中光的损耗（光的泄漏和光吸收、散射）很小，可达0.2dB/Km以下。

光纤的这种特性是由光纤的特殊折射率分布和材料特性决定的。

以阶跃型光纤为例，附图4－1是光纤结构示意图,纤芯折射率ｎ１大于包层折射率ｎ0，由几何光学可知，光在纤芯光密介质传播时，可以以小于临界角的全反射方式无损耗的向前传播。

NA=sinθ,称之为光纤的数值孔径，其物理意义是，只有入射角小于角θ的光线才能耦合到纤芯并在光纤纤芯内全反射传播。

经按几何光学推算，NA也可以写成NA＝n1（2Δ）0.5其中Δ＝（n1-n0）/n1,称为相对折射率差，值大约是0.002。

光在石英光纤传播理论是由电磁波在圆波导中麦克斯韦方程组来描述的，可参考有关书刊。

2.光纤弯曲时产生的损耗

损耗

NA2

NA1

曲率（1/R）

光纤弯曲时，纤芯中一部分光会不能满足全反射条件而溢出纤芯，产生光的损耗。

下图是弯曲损耗与光纤弯曲曲率关系，同样曲率条件下数值孔径大时有较小的弯曲损耗。

一般单模通信光纤的曲率在1/5cm以下时，其损耗可很小。

NA2>

附图4－2光纤弯曲损耗特性

光纤光缆铺设时要避免过分弯曲，在实验室使用的光纤跳线也要避免过分弯曲。

利用光纤弯曲特性可以建立一种传感器件，测量位移、压力等，当然这是一种光强度型测量方法。

3.光纤弯曲实验

可以在光纤光栅应变传感实验的基础上安排这一实验。

其步骤是：

传感单元与测试单元连接跳线上画长度标记（厘米为单位）；

以有长度标记的跳线将测试单元传感输入与应变传感输出端连接，调谐螺旋测微器使传感信号光强达到稳定的最大值，记下；

有长度标记连接跳线弯曲成不同圆形，记下圆周长和光强；

以30厘米周长为起3厘

米周长为止点，每1－5厘米间隔测绘一点。

弯曲不能过分，以免损坏光纤。

将周长换算成半径，以曲率（1/cm）－光强关系绘制关系曲线图。

分析和理解光纤弯曲的这种特性，避害趋利，试利用其特性试设计一种压力传感器。

5.3.2光纤光栅透射谱测量实验

1．测量光纤光栅透射谱的必要性

光纤光栅峰值反射率是一重要参数，但从反射谱中一般不能确定其反射率，因为连接损耗及测量信噪比等未知因素不能确定入射到光纤光栅中的光强。

光纤光栅透射谱中在光栅作用区附近显示的光强确确实实是入射到光纤光栅的光强，光栅作用区内透射光强的减少就是反射光强的增加，因光栅内其他吸收损耗很小，所以光纤光栅反射率R＝1－T,T是透射率，T=I/I0,I是透射谱最小光强，I0是透射峰附近入射光强。

应用对数dB计算，透射率

即透射率等于对数入射电平与透射最小值对数电平之差。

比如透射最小值电平比入射电平小20dB,则其反射率即是99％。

值得注意的是，实际能探测到透射最小值与仪器光谱分辨能力有关，因光纤光栅谱带宽很窄，如果仪器分辨率不高，测得的反射率要比实际值低。

2．光纤光栅透射谱的观测

光路的连接准备：

将宽带光源的输出端与温度传感一个输出端用跳线连接，温度传感另一个输出端用跳线与测试单元的传感输入端连接，这样组成如下图的测试

光路：

光纤光栅透射谱测量光路的理解

宽带光源以宽带谱经2个3dB耦合器入射到可调光纤光栅滤波器，可调光纤光栅滤波器反射光再经一个3dB耦合器入射到光电探测系统，因光电探测器件和3dB耦合器是宽带器件，光电探测器件接收到的能量是宽带光源谱与可调光纤光栅滤波器谱卷积（衰减9dB的能量，并忽略连接损耗），可调光纤光栅滤波器大部分调谐位置是高电平，调谐到温度传感光纤光栅波长位置时，由于光纤光栅的反射，光电探测器件接收到的光能量减少，到传感光纤光栅峰值波长位置时，接收到的光能量达到最小，高电平相当于入射光强I0,最低电平相当于光纤光栅的透射光强It，透射率T=It/I0,反射率R=1－T。

光纤光栅透射谱测量实验

由测量光纤光栅透射谱光路与测量光纤光栅反射谱光路比较可知，到达光电探测的光能量前者比后者少衰减3dB，因此按上述方法接通光路后信号电压可能饱和溢出而不能测量，此时应按前面的“光纤弯曲损耗测量”实验方法将光路中的连接光纤进行适当的弯曲，减小光强，到信号电压不溢出为止，并设法保持此时的弯曲态，保持不溢出且电压稳定，这时可开始进行光纤光栅透射谱的测量实验了。

光纤光栅透射谱测量：

方法和步骤与前面的反射谱传感测量基本相同，这里不再赘述。

需特别指出的是：

可能由于光纤光栅反射率很高及最小可显示电压方面的原因，测量到透射谱形状不是倒置的高斯形，而是平底的U形，没有明显的谷点，但利用测量形心的方法不难确定光纤光栅波长中心。

此时可认为透射率T=0,反射率R=100%.

5.3.3光纤干涉仪传感实验

光的干涉理论是光学的重要组成部分，F-P干涉是多光束干涉的代表，M-Z干涉和迈克尔逊干涉是双光束干涉的代表。

在光纤光学理论中，同样有光纤F-P干涉、光纤M-Z干涉和光纤迈克尔逊干涉理论,另外还有萨格奈克环形光纤干涉仪。

这些光纤干涉的理论在光纤应用中占有重要地位，了解和掌握这些干涉理论是了解和掌握光纤光学的重要内容。

利用本光纤光栅传感实验仪可以安排光纤干涉实验,与传统的干涉实验不同的是

使用的光源不是激光光源,而是宽带光源,观测的不是干涉条纹的变化,而是观测干涉谱的移动,但本质及原理是一致的。

但需要的器材较复杂，要配备专门的干涉实验单元，我们在试制，已经购买了本光纤光栅传感实验仪的单位，只需购买干涉实验单元即可安排光纤干涉实验。

下面只简单介绍光纤M-Z干涉实验及光纤迈克尔逊干涉的基本原理，详细内容再随仪器介绍。

1.光纤M-Z（Mach-Zehner）干涉仪的基本理论

A.非平衡M-Z干涉仪基本组成

附图4－4非平衡M-Z干涉仪

附图4－4是非平衡M-Z干涉仪基本组成，C1和C2是50：

50光强输出的2×

2单模光纤耦合器，将C1耦合器的输出端和C2输入端融接起来，组成两个干涉臂，使两臂有Δl长度差；

光的干涉过程是：

输入到耦合器C1光被分成同位相、同偏振、同强度的光输出到两个干涉臂中，再由C2耦合器将两部分光会合叠加，形成相干光输出，两个输出端有π位相差。

两臂的光程差是nΔl（n是光纤折射率，Δl是两臂的长度差），

B.光强与波长的关系：

由光干涉理论可知，非平衡M-Z干涉仪属双光束干涉，双光束干涉光强满足如下关系：

当满足条件nΔl=Kλ时，光输出为极大值，K为正整数，λ光波长；

光输出1和光输出2有π相位差。

附图4－5是由光谱仪观察到的波长在1550nm波段非平衡M-Z干涉仪输出波形，光输入是宽带光源。

附图4－5非平衡M-Z干涉仪输出光谱波形

称为干涉条纹的调制度，也可将比值Imax/Imin表示干涉条纹的调制程度，其值称为干涉条纹的消光比。

光强极大值之间的波长差Δλ（可称之为自由光谱区）满足公式

C.M-Z干涉仪在传感领域应用的技术基础

M-Z干涉仪受外界影响时，光程差nΔl会发生变化，光强分布曲线（余弦）光强极大值位置产生位移δλ（相位偏移）。

比如，可以有如下几种情况：

整个M-Z干涉仪受同一均匀温度场影响时，峰值波长的位移量δλ为：

干涉仪中只有一臂L长的光纤处于均匀温度场影响时，波长的位移δλ为：

，其中的正负号取决于受热光纤是在长臂还是在短臂。

干涉仪一臂中有L长的光纤处于均匀应力场影响时，波长的相对位移为：

，其中Pe是有效光弹系数，ε是L长光纤上产生的应变。

公式中的正负号取决于是在长臂还是短臂施力。

通过测量峰值波长的位移可测量温度和应变。

附图4－6是干涉传感测量基本原理图

信号臂

_

v

D1

光输入

+

D2

参考臂

附图4－6干涉仪传感测量原理图

2．光纤迈克尔逊（Michelson）干涉仪传感实验

附图4－7是光纤迈克尔逊干涉仪，其结构很简单，它即是50：

50的2×

2单模光纤耦合器，两个输出端光纤端面镀有宽带反射膜，两个干涉臂有长度差Δl。

耦合器输入端接宽带光源，在另一个光纤耦合器输入端输出干涉光。

光纤迈克尔逊干涉仪与光纤M-Z干涉仪同属于双光束干涉，光强与波长的关系满足公式

，

当满足条件2nΔl=Kλ时，光输出为极大值，K为正整数。

光强极大值之间的波长差Δλ满足公式

（与M-Z干涉仪相比，光程差大一倍，这是由干涉仪中光要往返一次所至。

下同）

光纤迈克尔逊干涉仪在传感领域应用的技术基础

光纤迈克尔逊干涉仪受外界影响时，光程差2nΔl会发生变化，光强余弦分布曲线产生位移δλ（相位偏移）。

干涉仪两臂受同一均匀温度场影响时，峰值波长的位移量δλ为：

干涉仪一臂中有L长的光纤处于均匀温度场影响时，波长的相对位移为：

，其中Pe是有效