光纤传感技术实验手册 - 现代数字信号处理

光纤传感信息采集与处理实验

一、实验目的

1.了解光纤传感技术传感原理；

2.认知高精度扫描激光查询分析仪，掌握其基本操作流程；

3.利用高精度扫描分析仪保存光栅反射光谱数据，熟悉Matlab处理光谱数据方法。

二、实验设备

1. 高精度扫描激光查询分析仪；2.光纤光栅；3.光纤焊接机；4.光纤切割刀；5. SYG-WK光纤光栅实验温控器。

三、实验内容

了解光纤光栅传感原理，利用实验提供的光纤光栅、高精度扫描分析仪、光栅

温控器等设备，完成温度传感实验及分布式传感网络应变传感实验，通过Matlab软件对高精度扫描分析仪采集光谱数据进行处理，并转换成所测温度/应变物理量。

四、实验原理

光纤传感是20世纪70年代问世的一门新技术，是以光纤作为信息传输介质、以光作为信息载体的一种传感技术。光纤传感的原理：来自光源的光波经过光纤进入调制区受到外场作用，导致描述光波光学特性的待测参量（如光强、波长、频率、相位、偏振态等）变化而成为被调制的信号光，再经光纤传输进入光探测器，经解调器解调后获得被测参量信息，从而推知外场待测量的分布和强度。

本实验利用光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）进行传感，当一束宽光谱光经过FBG光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余波长透过光纤光栅继续传输。

光纤光栅λB=2neff Λ入射光光纤芯透射光反射光Λ入射光透射光反射光λBλB

图1-1. FBG光纤光栅原理图

由光纤光栅模式耦合理论及相位匹配条件可推导得，光纤光栅布拉格条件为： ?B?2neff? （1-1） 当光纤光栅受到轴向应力作用或温度等变化影响时，其neff和Λ都会发生变化，导致反射波长发生偏移ΔλB ，通过解调仪器解调出ΔλB，即可知光纤Bragg光栅所测物理量。

（一）光纤光栅温度传感原理

当光纤光栅不受应力作用，只是环境发生变化时，光纤光栅中心反射波长的变

化为：

??B/?B?（???）?T (1-2)

式中α=(1/L)(dL/dT)为光纤的热膨胀系数，ζ=(1/n)(dn/dT)为光纤的热光系数。由此可见，光纤光栅周围温度的变化可以由光纤光栅布拉格波长的变化来反映，即： ??B?k?T (1-3) 其中K为温变系数,ΔT为温度的改变量,ΔλB为布拉格波长的改变量。光纤光栅温度传感实验系统如图1-2所示，高精度扫描分析仪的一个通道作为光源，发出光经过光纤输送到光纤光栅，反射回一个窄谱光输送回通道，分析仪可以测出反射回来的窄谱光的中心波长，即布拉格波长。光纤光栅作为传感探头放在光纤光栅实验温控器的温控盒中，温控盒中的温度可以任意调节，温控盒温度的变化会导致高精度扫描分析仪检测的布拉格波长发生变化。

入射光SYG-WK光纤光栅实验温控器FBG反射光反射光T1T2

图1-2 光纤光栅温度传感实验系统图

（二）光纤光栅应变传感原理

当光栅周围的应力或者应变发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率发生变化，产生光栅波长位移Δλ，通过高精度扫描分析仪监测波长位移情况，即可获知光栅周围应力或应变变化情况。

外界应力引起光纤光栅轴向应变和折射率变化，造成布拉格反射波长移动时的情况，由下式给出：

??B/?B???? （1-4） 这里λB是光栅反射布拉格波长，ΔλB为外界应力作用时光栅反射波长移动量，ε是光纤轴向应变，可表示为：

?????B/?B?/?? （1-5） 在实际应用中，ε是一个很小的量，为此引入应变量的10-6，即με作为光纤光栅度量单位。分布式光纤光栅应变传感系统原理图如图1-3所示：

被测参量入射光反射光测点1测点2测点3分布式传感网络测点4光强波长测点1λ1测点2λ2测点3λ3测点4λ4图1-3 光纤光栅应变传感实验系统图

五、实验步骤

（一）温度传感实验：

1、 将光纤光栅和跳线从包装盒中取出（注意轻拿轻放，避免碰断），用滴有酒精的无尘纸擦净光栅与跳线头的陶瓷插针，并用光纤焊接机进行焊接；

2、 将光纤光栅放入SYG-WK光栅实验温控器中，涂上适量硅脂以保证光栅与温控器接触良好；

3、将光栅尾纤上的跳线头接入高精度扫描激光查询分析仪一通道中，并打开分析仪

及温控器电源，调节温控器至25℃；

4、启动高精度扫描激光查询分析仪上位机软件，待温控器及分析仪示数稳定后，保存此时的光谱数据（txt文件），完成温度标定；

5、调节SYG-WK温控器温控旋钮，每次间隔一定温度，待温度稳定后记录温度值并保存高精度扫描分析仪光谱图；

6、利用Matlab软件对光谱数据进行寻峰处理，并将波长转换为温度数据填入下表，在平面坐标系上画出其曲线（温变系数K为11pm/℃）； 7、 对实验结果进行分析，得出实验结论。

物理量 中心波长（nm） 温度（℃） 实验数值 （二）应变传感实验：

1、将光纤光栅从包装盒中取出，清洁后用光纤焊接机焊接成间隔10cm左右的光栅串，并焊接上陶瓷插针跳线头；

2、将光栅串用AB胶固定于待测物上（本实验中为一块厚铝板），构成分布式光纤光栅传感网络；

3、将传感网络尾纤接入高精度扫描激光查询分析仪一通道中，打开分析仪电源； 4、启动高精度扫描激光查询分析仪上位机软件，待分析仪示数稳定后保存光谱数据，即为铝板未受力时情况；

5、向厚铝板施加恒定应力，待分析仪示数稳定后保存此时光谱数据(txt文件）； 6、利用Matlab对光谱数据进行寻峰，获知铝板各部位的受力时光栅波长漂移情况(应变系数Kε=0.784)；

7、对实验结果进行分析，得出实验结论。

物理量 中心波长前（nm) 中心波长后（nm) 应变（με） 实验数值 六、完成实验报告

附件：Matlab寻峰算法

1.质心探测算法（功率加权算法）

在光纤光栅波形数据中横坐标值相当于非均匀质量系中各质点位置，纵坐标值相当于各质点质量大小，以这些数据加权平均值作为质心位置，即为峰值位置。从功率加权角度看，FBG反射能量基本集中在其反射通带内，以波形信号幅值（反射光功率）为加权系数，计算波长加权平均值，可体现整个反射谱上功率分布状况，即：

x*??y?x?yiii,i?1,2,?,N

式中yi为质点纵坐标，xi为横坐标，N采样点数，x*为质心横坐标。 2.高斯曲线拟合算法（Gauss函数)

光纤光栅反射光谱信号呈近似高斯分布，可通过高斯曲线拟合逼近高斯函数，从拟合的高斯函数中获得到峰值位置。高斯函数表达式如下：

?(x?b)2/c2

f(x)?ae其中，a为高斯函数幅值，b为峰值位置，c 反映高斯曲线宽窄伸缩量。

图1-4 高斯拟合前（左）拟合后（右）

3.互相关算法（Xcorr函数)

在信号处理领域中，互相关用来表示两个信号之间相似性的一个度量，直接反映了两个信号之间的相关性。通常通过与已知信号比较寻找未知信号的特性。互相

关函数定义为：

R12(?)??f1*f2(t??)dt????

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