光纤光栅应变传感器实验讲义
5页1、实验光纤布拉格光栅(FBG)应变实验研究【实验目的】1) 了解光纤光栅传感器基本原理及FBG应变测量的基本公式。2) 了解飞机驾驶杆弹性元件的力学特性。3) 学习光纤光栅应变测量的基本步骤和方法。【实验原理】1. 光纤光栅传感器的基本原理及 FBG 应变测量的基本公式光纤布喇格光栅(Fiber Bragg grating, FBG )用于传感测量技术,主要是通过外界物理 量的变化对光纤光栅中心波长的调制来获取传感信息,因此它是一种波长调制型的光纤传感 器。 FBG 传感原理如图1 所示。图1 FBG传感原理示意图图1中,当一束入射光波进入FBG时,根据光纤光栅模式耦合理论,当满足满足相位 匹配条件时,反射光波即为FBG的布喇格波长九b,九B与有效折射率neff和光栅周期A的关系 为九=2n A.zB eff ( 1)由式可以知:neff与A的改变均会引起光纤光栅波长的改变,而且neff与A的改变与 应变和温度有关。应变和温度分别通过弹光效应与热光效应影响neff,通过长度改变和热膨 胀效应影响周期A,进而使妬发生移动。将耦合波长XB视为温度T和应变的函数,略去高 次项,则由应变和温度波
2、动引起的光纤光栅波长的漂移可表示为AX 二 2n AA + 2An A小、B eff eff (2)由式(2)可知光纤光栅中心波长漂移量九对轴向应变和环境温度变化AT比较敏感。 通过测量FBG中心波长的变化,就可测量外界物理量的变化值(如应变、温度等)。光纤光栅轴向应变测量的一般公式为Bze也是裸光纤光栅轴向应变测量的计算公式。由上式可知,A九Bz和存在线性关系,因此通过解调装置检测出布拉格波长的偏移 量A儿就可以确定被测量的变化。2. 飞机驾驶杆弹性元件的力学特性杆力传感器弹性元件采用平行梁形式,其结构如图2 所示。弹性元件由互相交叉90 的两对关联平行梁组成一个测力悬杆,其中一组感受纵向作用力,另一组感受横向作用力 上下部分连为一体,增加了梁的刚度,提高了梁的固有频率并具有良好的散热条件。对其中 每一方向作用力,由于其侧向刚度大,于是侧向负载能力强,与施加力平行的一对平行梁轴 向应变可以忽略不计,外加力主要使与作用方向垂直的一对平行梁变形。图 2 弹性元件结构简图杆力传感器弹性元件为方框平行梁结构,为便于分析和简化计算,将方框平行梁简化为一超静定刚架,力学模型如图3所示。hL(a)
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