光纤Bragg光栅温度传感器温敏实验
Bragg光栅传感器
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总结与展望
fff形Bragg光纤光栅是近年来研究的一种新型的技术， 由于结构的非圆对称性，纤芯离包层一侧较普通光栅近， 于是外界与光栅的作用更强，使得fff形Bragg光纤光栅具 有一些独特的性质，如对外部折射率敏感特性，对弯曲的 敏感特性等。因此，fff形Bragg光纤光栅为传感领域的应 用提出了新思路，但由于它与常规单模光纤熔接困难，耦 合损耗较大，而且设备昂贵，制造困难，一定程度上限制 了它的应用范围和发展。
图7 Bragg波长相对漂移量与温度的关系曲线 Tyson L.Lowfffer et
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fff形Bragg光纤光栅传感器
弯曲及相关传感测量
弯曲敏感—本征特性；不需要任何的附加结构或者封装，传感头尺寸 小，非常适合应用在智能材料中。
图 光 栅 波 长 漂 移 与 温 度 、 曲 率 关 系 曲 线 8
Bragg波长相对漂移量为：
S B 1 kz K ' B
9
fff形Bragg光纤光栅
• fff形Bragg光纤光栅特性
– 弯曲敏感特性
图4 Bragg波长相对漂移量与曲率的关系曲线
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fff形Bragg光纤光栅传感器
气体、液体浓度传感器
对外界折射率的敏感特性，可直接作为气体、液体等浓度的传感元件。
Institute of Lightwave Technology Xiamen University
Bragg光栅传感器
1
目录
引言 光纤 Bragg光纤光栅 Bragg光纤光栅传感器 总结与展望
2
引言
光纤光栅技术发展概况
3
ห้องสมุดไป่ตู้ 光纤
• 横截面像英文大写字母fff的光纤 • 制作方法 –直接研磨常规单模光纤； –研磨常规单模光纤预制棒再拉丝。
光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理
光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理光纤布拉格光栅传感器，简称FBG传感器，这可是个神奇的东西哦！它不仅可以测量温度，还能测量应变，简直就是个万能的小助手。
今天，我就来给大家聊聊这个神奇的小家伙是怎么工作的，让我们一起揭开它的神秘面纱吧！我们来了解一下FBG传感器的基本结构。
它是由一系列周期性折射率不同的光纤组成的，这些光纤就像一根根细细的琴弦，当光线通过它们时，会发生折射现象。
而这种折射现象正是FBG传感器测量温度和应变的关键所在。
FBG传感器是如何测量温度的呢？其实，这就要靠那些神奇的光纤了。
当阳光或者光源照射到光纤上时，光纤中的原子会吸收一部分光线，使得光线在光纤内部发生反射。
而反射回来的光线经过多次反射后，最终到达了FBG传感器的检测器。
检测器会根据反射光线的强度和时间变化来计算出光纤的温度。
是不是很厉害啊！我们再来聊聊FBG传感器是如何测量应变的。
其实，这也是利用了光纤的折射现象。
当FBG传感器受到外力作用时，光纤会发生形变，从而导致折射光线的变化。
而这种变化又被检测器捕捉到，从而计算出了应变的大小。
是不是感觉FBG传感器就像一个神奇的变形金刚一样，可以感知到周围的变化呢！FBG传感器有哪些应用呢？其实，它的应用范围非常广泛。
在建筑行业中，它可以用来检测混凝土的结构变化；在医疗行业中，它可以用来监测人体的生理指标；在汽车制造行业中，它可以用来检测车身的变形情况。
只要有需要测量温度和应变的地方，FBG传感器都可以派上用场哦！当然啦，虽然FBG传感器非常神奇，但它也有一些局限性。
比如说，它的灵敏度有限，不能用来检测非常微小的应变；而且，它的精度也有一定的误差。
随着科技的发展，相信这些问题都会得到解决的。
今天关于光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理就给大家介绍到这里了。
希望对大家有所帮助哦！下次再见啦！。
实验一 光纤光栅综合实验
实验一光纤光栅综合实验一、实验目的光纤光栅温度传感特性曲线——光纤光栅中心波长随着温度的变化光纤光栅应力传感——光纤光栅中心波长随着伸长量的变化了解布拉格光纤光栅滤波器的工作原理掌握光纤光栅的应变特性、温度特性以及利用光纤光栅实现传感的基本方法二、实验器材光谱分析仪、控温仪、直流电压源、温度传感器、环形器、LED、宽带光源、光纤光栅三、实验原理光纤光栅传感（温度、内外应力）特性测量是利用实验系统测量出光纤光栅的中心波长和温度的对应关系以及光纤光栅的中心波长与应力的对应关系，通过这个对应关系可以通过测量的光纤光栅的中心波长反向计算温度或应力。
应力传感特性测量原理框图：由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)波长=导膜有效折射率*光栅固有周期当上式满足时入射光将被光栅反射回去。
光纤受到导膜有效折射率和光栅固有周期因素的影响，应力影响弹力效应和光栅固有周期；温度通过热光效应和热胀效应影响中心反射波长。
当光纤光栅仅受应力作用时，光纤光栅的折射率和周期发生变化，引起中心反射波长移动，因此有：光栅产生应力时的折射率变化假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。
温度传感特性测量实验原理框图：当不受应力作用时，温度变化引起中心反射波长移动，则可表示为：四、实验过程与数据记录1、检查光路连接是否妥当、完备。
2、开启自发辐射宽带光源，注意先开电源开关，再开激光（Laser）开关。
3、开启光纤光谱仪。
4、检查光谱仪的一些基本参数设臵是否合适，包括波长范围，中心波长，光强参考值，采样点数等。
5. 按光谱仪Single键进行预扫描。
6. 观察扫描的光谱图，并根据扫描图预设扫描参数。
7. 记录光纤光栅的初始波长值，即光纤光栅在初始室温时的波长值。
8. 预设温度控制仪的温度值至30℃，待温控箱温度达到预设温度并稳定时，按按光谱仪Single键进行扫描，按光谱仪“Peak/ Dip Search”键测出光谱Dip处波长，并记录。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
1.2 光纤布拉格光栅原理 光纤布拉格光栅通常满足布拉格条件
式中，λB为Bragg波长，n为有效折射率，A为光栅周 期。 当作用于 光纤光栅的被测物理量(如温度、应力等)发 生变化时，会引起n和A的相应改变，从而导致λB的漂移; 反过来，通过检测λB的漂移。也可得知被测物理量的信息。 Bragg光纤光栅传感器的研究主要集中在温度和应力的准 分布式测量上。温度和应力的变化所引起的λB漂移可表示 为：
2.2 双参量矩阵法 双参量矩阵法是运用各种方法将温度 和应力对同一光波的影响分别作用于该光 波的不同参量上，然后推导出对应关系， 以实现应力和温度的区分测量。近年来， 有许多方法基于这一思想的交叉敏感问题 解决方案。如混合FBG/长周期光栅法、二 次谐波法、超结构光栅法等。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
在图1所示的光纤光栅传感器结构中，光源为宽谱光 源且有足够大的功率，以保证光栅反射信号良好的信噪比。 一般选用侧面发光二极管ELED的原因是其耦合进单模光 纤的光功率至少为50～100 µW。而当被测温度或压力加 在光纤光栅上时。由光纤光栅反射回的光信号可通过3 dB 光纤定向耦合器送到波长鉴别器或波长分析器，然后通过 光探测器进行光电转换，最后由计算机进行分析、储存， 并按用户规定的格式在计算机上显示出被测量的大小。 光纤光栅除了具备光纤传感器的全部优点外.还具有 在一根光纤内集成多个传感器复用的特点，并可实现多点 测量功能。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
2.4 温度(应力)补偿法 其实，目前研究较多的还是温度补偿 法。该方法主要通过某种方法或装置先将 温度扰动引起的波长漂移剔除掉，从而使 应变测量不受温度的影响。近年来，国内 外许多学者提出了关于FBG交叉敏感的问 题，主要考虑实现对温度、应变同时测量 的温度补偿方法。它们分为单FBG法和双 FBG法两大类。
光纤光栅传感实验
光纤光栅传感实验
实验目的 实验原理 实验器材 实验内容与步骤 思考练习
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实验数据记录表
h=
序号 挠度 X(mm) 应变量 Δε(με) 反射波长 (nm) 波长漂移 (nm) 灵敏度 (nm/με)
l=
1 2 3
光纤光栅中心波长
4 5 6
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5.思考练习
• 1 不受应力时为什么光纤光栅的反射波长每 次测量会略微变化，受哪些因素影响？
计算等强度梁产生的应变。其中h为梁的厚 度，l为梁的固定端到自由端的长度，X为梁 的挠度。如图3所示。
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b
l
h
图3 等强度梁几何尺寸
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实验测试装置图
ห้องสมุดไป่ตู้恒温箱 FBG 传感器 等强度梁 耦 合 器 光谱仪 宽带光源
砝码
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（1）
图2 光纤光栅传感原理
其中,Λ为光栅周期,neff为有 效折射率。其余的光将透射 过去，如图2所示。
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（2）光纤光栅的应变
当光栅周围的温度、应变、应力或其他待测
物理量发生变化时,将导致光栅周期或纤芯折
射率发生变化,从而产生光栅反射波长的漂移, 通过监测反射波长漂移情况,即可获得待测物 理量的变化情况。
光纤Bragg光栅温度和应变传感特性的试验研究
，
安 姜德 生 ，
４０ ７ ） ３０ ０
０ １ ４２ 武 湖 （ ． 京 工 业大 学机 械 工 程 与 应 用 电 子 技 术 学 院 ， 京 １０ ２ ；． 汉 理 工 大 学 光 纤 传 感 技 术 中 心 ， 北 武 汉 １北 北
摘要 ： 在光 纤 Ｂａｇ光栅传感原理的理论分析基础 上 ， ｒｇ 采用保 温装置 和等 强梁结构 对其 温度 和应 变传感 特性进行 了 试验研究 ， 并做 了试验 结果的误 差分析 。其 结果表 明光纤光栅 的 Ｂａｇ波长随温度和 轴向应 变的变化呈现 出良好 的线性 ｒｇ
Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｌＳ ｕ ｙ ０ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｔ ａｎ Ｓ ｎ ｉ ｇ ｐ ｒｍ ｎ ａ ｔ ｄ ｎ Ｔｅ ｅ ａ ｕ ｅ ａ ｄ Ｓ ｒ ｉ ｅ ｓｎ Ｃｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｆＦｉ ｅ ａ ｇ Ｇｒ ｔ ｇ ａ ａ ｔ ｒｓｉｓｏ ｂ ｒＢｒ ｇ ａ ｉ ｎ
２０ ０ ８正
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ Ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎ ｔｕ ｎ ｅ ｈ ｉ ｕ ｎ ｅ ｓ ｒ
２０ ０８
Ｎｏ ．１１
第 １ １期
光 纤 Ｂ ａ ｇ光 栅 温 度 和 应 变 传 感 特 性 的 试 验 研 究 ｒｇ
２ ｐｉａ ＦｂｒＳｎｉｇＴ ｃｎ ｌｇ ｅｅｒｈＣ ｎｅ ， ｈｎＵ ｉｅｓ ｙｏ ｅｈ ｏ ｇ ， ｈ ｎ４０７ ， ｈｎ ） ．Ｏ ｔ ｌ ｉｅ ｅｓ ｅｈ ｏｏｙＲ ｓａｃ ｅｔｒ Ｗｕ ａ ｎｖｒ ｔ ｆ ｃｎ ｌ ｙ Ｗｕ ａ ３００ Ｃ ｉａ ｃ ｎ ｉ Ｔ ｏ Ａ ｓ ａｔ Ｏ ｅｂｓ ｆｈ ｅｒｔａ ａａ ｓ ｆ ｂｒＢａｇｇ ｔ ｇ（ Ｂ ｂｔ ｃ： ｎｔ ａｉ ｏ ｔ ｔ ｏｅｃｌ ｎ ｙｉ ｏ ｆ ｅ ｒｇ ｒ ｉ Ｆ Ｇ）ｓｎｉｇｐｉ ｉ ｅ ｔ ｐｒｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ｓｎｉｇ ｒ ｈ ｓ ｅ ｈ ｉ ｌ ｓ ｉ ａｎ ｅｓ ｒ ｃ ｌ，ｅ ｅａ ｒ ｄｓａ ｅｓ ｎ ｎｐ ｍ ｕ ａ ｒｎ ｎ
光纤布拉格光栅温度传感特性与实验研究_张磊 (1) (1)
现代测量与实验室管理2006年第4期 文章编号:1005-3387(2006)04-0003-04光纤布拉格光栅温度传感特性与实验研究张 磊1 莫德举1 林伟国1 韩杏子2(1.北京化工大学信息科学与技术学院,北京 100029 2.北京理工大学,北京 100081)摘 要:从光纤布拉格光栅温度传感模型出发,对光纤布拉格光栅温度传感的理论进行了分析,并通过实验对裸光栅的温度特性进行了研究,推导出了光纤布拉格光栅温度传感的一阶有效线性灵敏度系数的解析式。
实验结果表明,光纤光栅在所测温度范围内具有良好的线性特性,与理论结果基本一致。
表明光纤光栅温度传感的理论模型具有良好的实验基础。
关键词:光纤布拉格光栅;温度传感;光纤传感器中图分类号:TB96 文献标识码:A0 引言自1989年M orey报道将光纤光栅用于传感以来[1],光纤光栅在传感领域的理论和应用研究引起了人们的极大兴趣。
光纤光栅是波长编码传感器,与传统的“光强型”和“干涉型”光纤传感器相比,具有以下优点[2,3]:与光源强度、光源起伏、光纤弯曲损耗、光纤连接损耗、光波偏振态无关,因此它具有很强的抗干扰能力,并且易于采用波分复用、时分复用和空间复用技术构成光纤光栅智能传感网络,实现分布式多点实时在线传感,广泛用于温度、应力、应变等物理量的测量。
随着光纤光栅各项技术的发展,其成本也将更加富有市场竞争力,因此具有广阔的前景。
1 光纤布拉格光栅传感机理由耦合模理论可知,光纤布拉格光栅的中心反射波长应满足[4]λB=2n effΛ(1)式中,n eff为纤芯的有效折射率;Λ为栅格周期。
由式(1)可以看出,光纤布拉格光栅的反射波长随n eff和Λ的改变而改变。
因此,当外界条件变化引起这两个参数变化,通过测得反射波长的变化就可以测量外界物理量。
2 光纤布拉格光栅温度传感模型2.1 光纤光栅温度传感模型分析的前提假设外界温度改变会引起光纤光栅Bra gg波长的移位。
光纤光栅压力传感实验
传感器的应用相当广泛，它是人类生活的触角、视野的延伸，也成为了现代人类科学技术活动的重要基础。国家经济建设、国防建设和高新技术的发展都离不开传感器，而传感器总是要在一定的环境中工作。它的性能的优劣直接影响着人类的各种活动，传感器一旦出现问题不仅给国家带来重大的经济损失和大量的资源与能源的消耗，还会给设备、装备、建筑物及人身安全带来威胁。随着人类触角遍及整个地球以及外太空，传统的传感器已经越来越不能满足人类的要求。本课题所研究的传感器以其简单的结构、较高的精度有望在未来满足一些人类的需求。此传感器目前可以通过对飞机等储油箱的多点测量，来实现对液位的监测。由于此传感器可以做得非常薄，所以它非常适合作为液位传感器来使用。
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光纤Bragg光栅温度传感器温敏实验
【摘 要】 油气田生产测井一个重要任务是测量温度参数。而由于光纤Bragg
光栅温度传感器的固有优点，是最热门的油气井下常规温度传感器的潜力替换产
品。将光纤光栅用少量环氧树脂胶粘贴于膨胀系数和光纤相等的特殊材料上，制
成温敏元件。根据油气井下温度的范围，设计了35-105℃裸光纤Bragg光栅温度
传感特性实验，采用精度±1℃的温控箱进行加热，每隔10℃测量一点，每点温
度间隔至少15分钟，无论是温度上升还是下降，温度和中心波长的线性关系都
很好，上升时R2=0.9999，下降时R2=1；另外，上升时光栅灵敏度为10pm/℃，
下降时光栅灵敏度为9.8 pm/℃，与理论相差很小，说明所封装的温度传感器在
35～105℃的工作温度范围内性质稳定，可用于实际油气井动态温度监测。
【关键词】 光纤光栅 温度 传感特性 封装
1 前言
光纤bragg光栅由于其在温度参数测量方面固有的优点，越来越受到业内专
家的重视[1-4]。
本文设计了一种光纤Bragg光栅温度传感器，对其在35～105℃温度条件下
的进行温敏实验。
2 光栅结构及传感原理
利用紫外激光的干涉条纹在一定范围内照射具有光敏性的光纤，可使该段光
纤纤芯的折射率发生永久周期性的改变，形成光纤Bragg光栅。Bragg光纤光栅
从本质上来说相当于一个窄带滤波器，当具有一定波谱范围的入射光传输到光纤
Bragg光栅时，光栅就会把满足Bragg条件的、且被外界环境参量（如温度、压
力、应力、流量等）调制过的入射光反射回来，通过对反射光谱进行解调，即可
获得所需（压力、温度）信息，其结构如图1所示。
3 温度传感器封装结构
本次实验选用的基底为圆形，材质采用膨胀系数和光纤相等的特殊材料，长
度10cm，直径3cm。为了使裸光栅能更好地和基底接触，受热均匀，可在圆形
基底上划一个3mm深，1mm宽的小槽，裸光纤Bragg光栅用少量环氧树脂胶均
匀粘贴在凹槽内。在对温度传感器封装过程中，应对裸光纤光栅施加适当的预应
力，并适当加热，防止光纤光栅因胶凝固使中心波长减小。另外为了增加粘贴强
度，需把基底凹槽外表面打磨光滑[1]。封装结构见图2。
4 实验设备及原理
实验设备包括：宽带光源、掺锗石英裸光栅（中心波长1532.137nm）、光纤
Bragg光栅解谱仪（±5pm）、耦合器、匹配液、温控箱（精度±1℃）以及环氧树
脂胶等。
实验原理：温度变化会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化，从而使光纤光
栅的反射谱和透射谱中心波长发生变化。通过检测光纤光栅的反射谱或透射谱中
心波长的变化，就可以获得相应的温度信息，反过来，若知道了温度信息，就可
以测出光纤光栅反射谱和透射谱中心波长的变化，图3为实验测量原理示意图。
5 实验结果及分析
根据油气井下常见温度范围，设计了光纤Bragg光栅温度传感器35～105℃
温度传感特性研究实验。实验采用温控箱加温，光纤Bragg光栅解谱仪进行解谱。
实验时研制的光纤光栅温度传感器自由悬挂于温控箱内，每隔10℃测量一次，
每次等待至少15分钟，待温度平衡、稳定后再测量，如此往返各测量1次。
对所测数据进行线性拟合，拟合图见图3.10。从图中可看出，温度上升阶段，
灵敏度为10pm/℃，R2=0.9999。温度下降阶段，灵敏度为9.8pm/℃，R2=1。可
见无论是温度上升阶段还是下降阶段，中心波长和温度都有良好的的线性关系。
因为采用特殊材料做基底，所以实验测得的灵敏度和裸光栅（10.8pm/℃）相差
不多，但也看出每摄氏度还有1个pm的误差，分析认为主要原因是光栅粘贴用
胶所致。
6 结论
实验说明所研制光纤光栅温度传感器在35～105℃的工作温度范围传感性
质非常稳定，可应用于油气井下温度测量。
参考文献：
[1]陈海峰，肖佃师，陈红丽.光纤增敏温度传感器及其压力敏感性实验研究
[J].激光与光电子学进展，2010.4.
[2]李永伟，韩兴德，于国庆.FBG温度传感器增敏封装技术及实验研究[J].
光学技术，2009，35（3）：461～463
[3]陈海峰，肖立志，张元中，等.光纤Bragg光栅在油气工业中的若干研究
及进展[J].地球物理学进展，2006，21（2）：572～577.