光纤光栅在传感技术方面可以对多种物理量进行传感和检测，光纤光栅已实现温度、应力、应变、加速度、水声等参量的传感与测量。光纤光栅型传感器除了具有光纤传感器的基本优点之外，还具有分辨率高、重复性好、稳定性高、测量动态范围大等优点，可以进行绝对测量，不必考虑光源强度的随机起伏波动，对光路的损耗不敏感，能满足多参量、复用式、阵列式、分布式传感的要求。

【实验目的】

(1)了解光纤传感器的工作原理及相关特性;

(2)掌握光纤光栅位移传感的测量方法。

【实验原理】

随着紫外写入光纤光栅制作技术的日益完善，光纤光栅在光纤传感领域的应用得到了迅速发展。光纤光栅Bragg波长受应力和温度特性的影响，对光纤光栅Bragg波长的偏移进行测量，即可测知其所受到的应力和温度，这是光纤光栅用于光纤传感的主要工作原理。

光纤光栅反射谱如图13.1所示。

图13.1 光纤光栅反射谱

光纤光栅中最重要的特性指标是其Bragg反射波长λB，可以表示为: λB=2neffΛ，其中，neff是光纤光栅的有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅的温度升高时，由于光纤材料的热光效应，其有效折射率会增加; 而且由于热胀冷缩效应，光栅周期也会增长，从而使λB向长波长方向移动，波长偏移量ΔλT为

式中，α为光纤材料的热胀系数，ΔT为温度变化量，e为热光系数。当光纤光栅发生应变时，一方面，由于光纤沿轴向和径向的伸缩，导致光栅周期改变; 另一方面，光纤的轴向和径向的伸缩还会产生光弹效应，它会使光纤的有效折射率发生改变，从而使Bragg波长λB产生偏移，其波长偏移量ΔλS为

式中，Pe为光弹性常数，ε为光纤光栅的应变量。

本实验测量用光纤光栅作温度传感时的定标曲线。

【实验仪器】

实验装置如图13.2所示: CA9005信息光电子综合实验系统、1550nm激光器、1310/1550光纤耦合器、光纤连接线、光纤光栅温度传感器

图13.2 实验装置图

【实验内容及步骤】(www.daowen.com)

(1)实验装置连接

按图13.2所示光路连接实验装置，将实验仪主机背板通信接口用串行通信电缆连接至计算机主机COM1口，打开实验仪主机电源后再运行计算机上的测试软件。

(2)光纤光栅反射光谱测量

①将1550nm半导体激光器光输出连接至1310/1550Coupler输入端PORT1，将1310/1550Coupler输出端PORT3连接至光纤光栅温度传感器PORT1。将1310/1550 Coupler端口PORT2连接至OPM。

②将1550nm激光器控制端口连接至LD1，将光纤光栅温度传感器控制端口连接至LD2。设置LD2温度为-10℃，设置LD1工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，待LD2温度稳定后缓慢调节LD1驱动电流(Ic)，使得OPM显示最大。LD1电流不得超过40mA。

③将1310/1550Coupler端口PORT2改接至C波段光谱分析器，输出狭缝置0.1mm。

④将光谱分析器功率探头输出连接至PD，OPMMOD置PD/mW，量程(OPMRTO)置100μW档。

⑤测量光纤光栅反射光谱，波长范围1540～1580nm，波长间隔0.1nm。记录峰值波长。

(3)光纤光栅温度传感器定标

测量出光纤光栅在30℃下的反射光谱，记录其峰值位置。求光纤光栅温度传感器定标关系式。

【思考题】

光纤光栅型传感器相对于光纤传感器有什么优点?

【注意事项】

(1)激光器通电后禁止对准人眼，以免被灼伤。

(2)光纤光栅温度传感器的温度不能设置得太高，以免损坏仪器。