长春翰视科技有限公司
1.概述
1.1 实验目的
本实验旨在设计并搭建一套基于光纤布拉格光栅的应变测量系统，用于实现对材料或结构表面/内部应变的精确、实时和分布式测量。通过实验，验证FBG传感器应变测量的基本原理、标定其灵敏度系数，并评估其在实际应用中的性能。
1.2 技术原理
光纤布拉格光栅是一种在光纤纤芯内形成周期性折射率调制结构的光纤器件。当宽带光入射到FBG时，满足布拉格条件的特定波长会被反射回来，其余波长则透射过去。这个被反射的中心波长称为布拉格波长（λ_B）。
布拉格波长由以下公式决定：
λ_B = 2n_eff · Λ
其中：
λ_B： 布拉格波长（单位：nm）
n_eff： 光纤的有效折射率
Λ： 光栅的周期（单位：nm）
当FBG受到应变（ε）或温度（T）变化时，其有效折射率（n_eff）和光栅周期（Λ）会发生改变，从而导致布拉格波长（λ_B）发生漂移（Δλ_B）。应变引起的波长漂移可近似表示为：
Δλ_B = λ_B · (1 - P_e) · ε
其中：
Δλ_B： 布拉格波长的漂移量
P_e： 弹光系数（对于石英光纤，通常约为0.22）
ε： 施加的应变
因此，通过高精度地监测λ_B的变化量Δλ_B，即可换算出FBG所受的应变。本实验主要关注应变测量，若需同时测量温度，需采取温度补偿措施（如使用一个不受力的参考FBG）。
2. 系统组成与设备清单
| 组件 | 型号/规格要求 | 数量 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 1. 传感单元 | 中心波长（λ_B）根据光源范围选择（如1550nm附近），聚酰亚胺或金属化涂覆 | 2+ | 一个用于测量应变，一个用于温度补偿 |
| 2. 解调设备 | 微型光纤光谱仪或商用FBG解调仪，波长分辨率优于1pm | 1套 | 核心设备，决定测量精度和速度 |
| 3. 宽带光源 | 输出光谱覆盖FBG中心波长，功率稳定（如ASE光源） | 1台 | 为系统提供入射光 |
| 4. 光纤器件 | 单模光纤跳线，光纤环形器（或耦合器） | 若干 | 连接各组件，环形器用于分离入射和反射光 |
| 5. 标定装置 | 等强度梁标定装置、砝码组、千分尺/高精度应变片 | 1套 | 用于系统标定和验证 |
| 6. 待测结构 | 复合材料板、金属梁等 | 1个 | 实际应用对象 |
| 7. 粘接材料 | 环氧树脂胶或氰基丙烯酸酯快干胶 | 1支 | 用于将FBG牢固粘贴在待测物表面 |
| 8. 数据采集与处理软件 | LabVIEW, Python或设备自带软件 | 1套 | 实时显示、记录和分析数据 |
3. 实验步骤
第一阶段：系统搭建与调试
光路连接： 按以下顺序连接设备：宽带光源 → 环形器端口1 → 环形器端口2 → FBG传感器 → 环形器端口3 → 解调仪。
通电检查： 依次打开光源、解调仪和计算机。确保设备工作正常，无报警信息。
光谱确认： 在软件中观察反射光谱，应能看到一个清晰的反射峰。记录此时FBG在自由状态下的初始中心波长λ_B0。
第二阶段：传感器标定（在标定装置上进行）
安装传感器： 将一枚FBG用胶水仔细粘贴在等强度梁的预定位置（通常为梁的上表面中心线）。确保粘接牢固、无气泡。
施加已知载荷：
m：砝码质量，g：重力加速度，L：力臂长度，E：梁的弹性模量，b：梁宽，h：梁高。
在梁的末端悬挂一个砝码（质量m），记录此时的波长值λ_B1。
根据材料力学公式计算梁表面该点的理论应变值 ε_theoretical = (6 * m * g * L) / (E * b * h²)。
波长漂移量 Δλ_B = λ_B1 - λ_B0。
数据记录： 逐级增加砝码（如0g, 100g, 200g, ...），记录每一级载荷下的Δλ_B和ε_theoretical。
计算灵敏度系数： 将Δλ_B与ε_theoretical进行线性拟合，所得直线的斜率K_ε即为该FBG的应变灵敏度系数（单位：pm/με）。理论上 K_ε ≈ λ_B0 * (1 - P_e) ≈ 1.2 pm/με (@1550nm)。
第三阶段：实际应用测量
传感器安装： 将经过标定的FBG传感器粘贴到待测结构（如复合材料板）的指定位置。如需测量应变分布，可串联多个具有不同中心波长的FBG。
加载实验： 对待测结构施加载荷（如三点弯曲、拉伸或压缩）。
数据采集： 启动解调仪的连续采集模式，实时监测并记录FBG波长的变化。
应变计算： 利用标定得到的灵敏度系数K_ε，将采集到的波长漂移Δλ_B实时转换为应变值：ε_measured = Δλ_B / K_ε。
第四阶段：数据比对与验证（可选）
在待测结构上同时粘贴传统电阻应变片，与FBG的测量结果进行比对，以验证FBG测量系统的准确性和可靠性。
4. 数据处理与分析
波长解调： 解调仪软件通常使用峰值检测法或质心法来精确计算每个FBG的反射中心波长。
温度补偿： 如果实验环境温度变化显著，需使用温度补偿FBG。其测量到的波长漂移纯由温度引起（Δλ_T），则工作FBG的净应变引起的波长漂移为：Δλ_ε = Δλ_total - Δλ_T。
结果展示： 绘制以下图表：
标定曲线： Δλ_B vs. ε_theoretical 的散点图和拟合直线，并给出拟合度R²。
时程曲线： 载荷作用下，应变（ε_measured）随时间变化的曲线。
比对曲线（如果适用）： FBG与电阻应变片测量结果的对比曲线。
5. 注意事项与误差分析
粘接质量： 粘接剂的均匀性和厚度直接影响应变传递效率，是最大的误差来源之一。务必保证粘接界面完美。
温度交叉敏感： 应变和温度都会引起波长漂移，必须进行温度补偿才能获得准确的应变值。
光谱失真： 过大的应变可能导致FBG啁啾化（光谱展宽或分裂），影响波长解调精度。应确保测量在FBG的线性范围内进行。
机械保护： FBG非常脆弱，尤其是在粘接和布线过程中，需小心操作，避免弯折过小。
光源稳定性： 光源功率波动会影响反射峰的信噪比。
6. 预期成果
一套完整可工作的FBG应变测量系统。
得到FBG传感器的应变灵敏度系数K_ε。
获得待测结构在载荷下的应变分布或时程数据。
一份详细的实验报告，包括原理、步骤、数据、分析结论和误差讨论。
总结： 本方案提供了一个从原理到实践的完整指南。FBG传感技术具有抗电磁干扰、精度高、可实现准分布式测量等独特优势，非常适合用于航空航天、土木工程、风电叶片等领域的长期健康监测。通过本实验，您可以熟练掌握这项先进传感技术的核心技能。
