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1.概述
1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>
本實(shí)驗(yàn)旨在設(shè)計(jì)并搭建一套基于光纖布拉格光柵的應(yīng)變測量系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)對材料或結(jié)構(gòu)表面/內(nèi)部應(yīng)變的精確、實(shí)時(shí)和分布式測量。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證FBG傳感器應(yīng)變測量的基本原理、標(biāo)定其靈敏度系數(shù)，并評估其在實(shí)際應(yīng)用中的性能。
1.2 技術(shù)原理
光纖布拉格光柵是一種在光纖纖芯內(nèi)形成周期性折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)的光纖器件。當(dāng)寬帶光入射到FBG時(shí)，滿足布拉格條件的特定波長會(huì)被反射回來，其余波長則透射過去。這個(gè)被反射的中心波長稱為布拉格波長（λ_B）。
布拉格波長由以下公式?jīng)Q定：
λ_B = 2n_eff · Λ
其中：
λ_B： 布拉格波長（單位：nm）
n_eff： 光纖的有效折射率
Λ： 光柵的周期（單位：nm）
當(dāng)FBG受到應(yīng)變（ε）或溫度（T）變化時(shí)，其有效折射率（n_eff）和光柵周期（Λ）會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致布拉格波長（λ_B）發(fā)生漂移（Δλ_B）。應(yīng)變引起的波長漂移可近似表示為：
Δλ_B = λ_B · (1 - P_e) · ε
其中：
Δλ_B： 布拉格波長的漂移量
P_e： 彈光系數(shù)（對于石英光纖，通常約為0.22）
ε： 施加的應(yīng)變
因此，通過高精度地監(jiān)測λ_B的變化量Δλ_B，即可換算出FBG所受的應(yīng)變。本實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注應(yīng)變測量，若需同時(shí)測量溫度，需采取溫度補(bǔ)償措施（如使用一個(gè)不受力的參考FBG）。
2. 系統(tǒng)組成與設(shè)備清單
| 組件 | 型號/規(guī)格要求 | 數(shù)量 | 備注 |
|---|---|---|---|
| 1. 傳感單元 | 中心波長（λ_B）根據(jù)光源范圍選擇（如1550nm附近），聚酰亞胺或金屬化涂覆 | 2+ | 一個(gè)用于測量應(yīng)變，一個(gè)用于溫度補(bǔ)償 |
| 2. 解調(diào)設(shè)備 | 微型光纖光譜儀或商用FBG解調(diào)儀，波長分辨率優(yōu)于1pm | 1套 | 核心設(shè)備，決定測量精度和速度 |
| 3. 寬帶光源 | 輸出光譜覆蓋FBG中心波長，功率穩(wěn)定（如ASE光源） | 1臺 | 為系統(tǒng)提供入射光 |
| 4. 光纖器件 | 單模光纖跳線，光纖環(huán)形器（或耦合器） | 若干 | 連接各組件，環(huán)形器用于分離入射和反射光 |
| 5. 標(biāo)定裝置 | 等強(qiáng)度梁標(biāo)定裝置、砝碼組、千分尺/高精度應(yīng)變片 | 1套 | 用于系統(tǒng)標(biāo)定和驗(yàn)證 |
| 6. 待測結(jié)構(gòu) | 復(fù)合材料板、金屬梁等 | 1個(gè) | 實(shí)際應(yīng)用對象 |
| 7. 粘接材料 | 環(huán)氧樹脂膠或氰基丙烯酸酯快干膠 | 1支 | 用于將FBG牢固粘貼在待測物表面 |
| 8. 數(shù)據(jù)采集與處理軟件 | LabVIEW, Python或設(shè)備自帶軟件 | 1套 | 實(shí)時(shí)顯示、記錄和分析數(shù)據(jù) |
3. 實(shí)驗(yàn)步驟
第一階段：系統(tǒng)搭建與調(diào)試
光路連接： 按以下順序連接設(shè)備：寬帶光源 → 環(huán)形器端口1 → 環(huán)形器端口2 → FBG傳感器 → 環(huán)形器端口3 → 解調(diào)儀。
通電檢查： 依次打開光源、解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)。確保設(shè)備工作正常，無報(bào)警信息。
光譜確認(rèn)： 在軟件中觀察反射光譜，應(yīng)能看到一個(gè)清晰的反射峰。記錄此時(shí)FBG在自由狀態(tài)下的初始中心波長λ_B0。
第二階段：傳感器標(biāo)定（在標(biāo)定裝置上進(jìn)行）
安裝傳感器： 將一枚FBG用膠水仔細(xì)粘貼在等強(qiáng)度梁的預(yù)定位置（通常為梁的上表面中心線）。確保粘接牢固、無氣泡。
施加已知載荷：
m：砝碼質(zhì)量，g：重力加速度，L：力臂長度，E：梁的彈性模量，b：梁寬，h：梁高。
在梁的末端懸掛一個(gè)砝碼（質(zhì)量m），記錄此時(shí)的波長值λ_B1。
根據(jù)材料力學(xué)公式計(jì)算梁表面該點(diǎn)的理論應(yīng)變值 ε_theoretical = (6 * m * g * L) / (E * b * h2)。
波長漂移量 Δλ_B = λ_B1 - λ_B0。
數(shù)據(jù)記錄： 逐級增加砝碼（如0g, 100g, 200g, ...），記錄每一級載荷下的Δλ_B和ε_theoretical。
計(jì)算靈敏度系數(shù)： 將Δλ_B與ε_theoretical進(jìn)行線性擬合，所得直線的斜率K_ε即為該FBG的應(yīng)變靈敏度系數(shù)（單位：pm/με）。理論上 K_ε ≈ λ_B0 * (1 - P_e) ≈ 1.2 pm/με (@1550nm)。
第三階段：實(shí)際應(yīng)用測量
傳感器安裝： 將經(jīng)過標(biāo)定的FBG傳感器粘貼到待測結(jié)構(gòu)（如復(fù)合材料板）的指定位置。如需測量應(yīng)變分布，可串聯(lián)多個(gè)具有不同中心波長的FBG。
加載實(shí)驗(yàn)： 對待測結(jié)構(gòu)施加載荷（如三點(diǎn)彎曲、拉伸或壓縮）。
數(shù)據(jù)采集： 啟動(dòng)解調(diào)儀的連續(xù)采集模式，實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄FBG波長的變化。
應(yīng)變計(jì)算： 利用標(biāo)定得到的靈敏度系數(shù)K_ε，將采集到的波長漂移Δλ_B實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值：ε_measured = Δλ_B / K_ε。
第四階段：數(shù)據(jù)比對與驗(yàn)證（可選）
在待測結(jié)構(gòu)上同時(shí)粘貼傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片，與FBG的測量結(jié)果進(jìn)行比對，以驗(yàn)證FBG測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。
4. 數(shù)據(jù)處理與分析
波長解調(diào)： 解調(diào)儀軟件通常使用峰值檢測法或質(zhì)心法來精確計(jì)算每個(gè)FBG的反射中心波長。
溫度補(bǔ)償： 如果實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度變化顯著，需使用溫度補(bǔ)償FBG。其測量到的波長漂移純由溫度引起（Δλ_T），則工作FBG的凈應(yīng)變引起的波長漂移為：Δλ_ε = Δλ_total - Δλ_T。
結(jié)果展示： 繪制以下圖表：
標(biāo)定曲線： Δλ_B vs. ε_theoretical 的散點(diǎn)圖和擬合直線，并給出擬合度R2。
時(shí)程曲線： 載荷作用下，應(yīng)變（ε_measured）隨時(shí)間變化的曲線。
比對曲線（如果適用）： FBG與電阻應(yīng)變片測量結(jié)果的對比曲線。
5. 注意事項(xiàng)與誤差分析
粘接質(zhì)量： 粘接劑的均勻性和厚度直接影響應(yīng)變傳遞效率，是最大的誤差來源之一。務(wù)必保證粘接界面完美。
溫度交叉敏感： 應(yīng)變和溫度都會(huì)引起波長漂移，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償才能獲得準(zhǔn)確的應(yīng)變值。
光譜失真： 過大的應(yīng)變可能導(dǎo)致FBG啁啾化（光譜展寬或分裂），影響波長解調(diào)精度。應(yīng)確保測量在FBG的線性范圍內(nèi)進(jìn)行。
機(jī)械保護(hù)： FBG非常脆弱，尤其是在粘接和布線過程中，需小心操作，避免彎折過小。
光源穩(wěn)定性： 光源功率波動(dòng)會(huì)影響反射峰的信噪比。
6. 預(yù)期成果
一套完整可工作的FBG應(yīng)變測量系統(tǒng)。
得到FBG傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)K_ε。
獲得待測結(jié)構(gòu)在載荷下的應(yīng)變分布或時(shí)程數(shù)據(jù)。
一份詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括原理、步驟、數(shù)據(jù)、分析結(jié)論和誤差討論。
總結(jié)： 本方案提供了一個(gè)從原理到實(shí)踐的完整指南。FBG傳感技術(shù)具有抗電磁干擾、精度高、可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量等獨(dú)特優(yōu)勢，非常適合用于航空航天、土木工程、風(fēng)電葉片等領(lǐng)域的長期健康監(jiān)測。通過本實(shí)驗(yàn)，您可以熟練掌握這項(xiàng)先進(jìn)傳感技術(shù)的核心技能。
