光纖光柵溫度應力傳感教學實驗裝置

摘要：針對目前市場上可直接用于光纖光柵傳感實驗教學的裝置較少， 前沿科研技術和本科實驗教學相脫節現狀， 設計了基于光纖光柵的溫度應力傳感教學裝置。該裝置包括光纖激光器、 光譜儀和上位機控制軟件3部分。光纖激光器實現了1 550 nm左右的激光輸出， 利用光譜儀測量光纖光柵中心波長的改變， 并采集數據輸入計算機， 上位機控制軟件用于圖形顯示和數據存儲等。該實驗裝置操作簡單、 組裝靈活、 重復性和穩定性好， 可用于本科實驗教學。將前沿科學技術引入本科實驗教學， 促進了科學研究與本科實驗教學相融合， 實現了科研教學水平的同步提高。

關鍵詞：光纖光學； 溫度； 應力； 光柵； 傳感器

中圖分類號： TP212.1 文獻標志碼： A

Teaching Experimental Device of Fiber Bragg Grating Temperature Stress Sensing

ZHANG Jin， LIU Peng， XIAO Tong， LAN Jingqi， LING Zhenbao

（College of Instrumentation amp; Electrical Engineering， Jilin University， Changchun 130061， China）

Abstract：FBG（Fiber Bragg Grating） sensing technology has achieved rapid development in scientific research and engineering applications， but it is rarely used in undergraduate experimental teaching. Currently， there are few devices available in the market that can be directly used for FBG sensing experimental teaching， and cutting－edge scientific research technology is disconnected from undergraduate experimental teaching. To address this situation， a teaching experiment device for temperature stress sensing based on FBG has been designed. The device consists of three parts： a fiber laser， a spectrometer， and upper computer control software. The fiber laser enables laser output of about 1 550 nm. The spectrometer measures the change of FBG center wavelength and collects data into the computer. The upper computer control software is used for graphic display and data storage. The experimental device has the advantages of simple operation， flexible assembly， good repeatability， and stability， and can be used for undergraduate experimental teaching. We introduce cutting－edge science and technology into undergraduate experimental teaching， promote the integration of scientific research and experimental teaching， and realize the synchronous improvement of scientific research and teaching levels.

Key words：fiber optics; temperature; stress; grating; sensor

0 引 言

自1978年首個光纖光柵（FBG： Fiber Bragg Grating）問世以來［1］， 人們對此技術進行了深入研究。目前， FBG傳感器廣泛應用于航空航天、 土木工程等領域［2－5］。2015年， Weisz－patrault等［6］將FBG封裝在檢測輥中。由于檢測輥和被測鋼板接觸， 而FBG能反應出鋼板的張力變化， 因此， 通過監測FBG的應力變化， 可完成冷軋帶鋼板應力監測。2016年， 黃新波等［7］采用FBG傳感器監測鐵塔應力， 通過計算FBG傳感器所在監測點的受力變化判斷鐵塔運行狀況。2018年， Mohammed等［8］將FBG傳感器應用于變壓器繞組溫度的檢測， 結果表明FBG傳感器具備檢測過熱故障的能力， 可實時在線監測變壓器內的繞組溫度。2021年， 邵來鵬等［9］使用并聯集成FBG傳感器檢測航空發動機的燃燒室溫度， 進行飛行器高溫結構的實時監測。Fu等［10］使用FBG聲發射系統準確監測炸藥損傷破壞過程內部能量釋放量的時間歷程， 為掌握炸藥損傷破壞規律提供數據支撐。……