光纤光栅传感器的封装

光纤光栅传感器的封装光纤光栅是一种新型的光无源器件，它通过在光纤轴向上建立周期性的折射率分布来改变或控制光在该区域的传播行为和方式。

其中，具有纳米级折射率分布周期的光纤光栅称为光纤布喇格光栅（即FBG ，若非特别声明，下文中的光纤光栅均指光纤布喇格光栅）。

光纤光栅因具有制作简单、稳定性好、体积小、抗电磁干扰、使用灵活、易于同光纤集成及可构成网络等诸多优点，近年来被广泛应用于光传感领域。

经过近十几年来的研究，光纤光栅的传感机理己基本探明，用于测量各种物理量的多种结构光纤光栅传感器己被制作出来。

目前，光纤光栅传感器可以检测的物理量包括温度、应变、应力、位移、压强、扭角、扭知(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率及浓度等。

一、光纤光栅的封装技术由于裸的光纤光栅直径只有125m μ，在恶劣的工程环境中容易损伤，只有对其进行保护性的封装(如埋入衬底材料中)，才能赋子光纤光栅更稳定的性能，延长其寿命传感器才能交付使用。

同时，通过设计封装的结构，选用不同的封装材料，可以实现温度补偿，应力和温度的增敏等功能，这类“功能型封装”的研究正逐渐受到重视。

1、 温度减敏和补偿封装由于光纤光栅对应力和温度的交叉敏感性，在实际应用中，经常在应力传感光栅附近串联或并联一个参考光栅，用于消除温度变化的影响。

这种方法需要消耗更多的光栅，增加了传感系统的成本。

若用热膨胀系数极小且对温度不敏感的材料对光纤光栅进行封装，将很大程度上减小温度对应力测量精确性的影响。

另外，采用具有负温度系数的材料进行封装或设计反馈式机构，可以对光纤光栅施加一定应力，以补偿温度导致的布喇格波长的漂移，使0/λλ∆的值趋近于0。

对于封装的光纤布喇格光栅而言，其波长漂移λ∆与应变ε和温度变化T ∆的关系式可表示为式(1),基于弹性衬底材料的光纤光栅温度补偿关系式为()1s e a a a T p ξε++-=∆- （1） 式中：(1/)(/)n dn dT ξ=；(1/)(/)e p n dn d ε=-；(1/)(/)a L dL dT =。

实验表明，采用负温度系数的材料对光纤光栅进行封装，可以在20~44-℃温度区获得波长变化仅为0.08nm 的温度补偿效果。

2、应力和温度的增敏封装光纤布喇格光栅的温度和应变灵敏度很低，灵敏度系数分别约为21.1310-⨯nm/℃和31.210/nm με-⨯，难以直接应用于温度和应力的测量中。

对光纤光栅进行增敏性封装，可实现微小应变和温度变化量的“放大”，从而提高测量精度，同时，亦使传感器的测量范围得以扩展。

2．1温度增敏封装在无应变条件下，由式(2)得0[(1)()]e s a p a a T λλξ∆=++--∆ （2）选用大热膨胀系数材料()s a a ξ，作为衬底材料，可设计出不同类型的温度增敏传感器。

研究表明，选用有机材料、金属或合金等材料可以较大地提高光纤光栅的温度灵敏度系数，如用一种热膨胀系数很大的混合聚合物对光纤光栅进行封装，在20~80℃范围内可将光纤光栅的温度灵敏度提高11.2倍。

2．2应力增敏封装用杨氏模量较小的材料对光纤光栅进行封装后将传感头置于应力场中，由于基底材料与光栅紧密粘接，产生较大应变的基底材料将对光栅产生带动作用，增加光栅的轴向应变，从而增加布喇格波长的漂移量，使光纤光栅传感器具有更大的应力灵敏度。

2001年，Zhang Y 等将光纤布喇格光栅置于金属圆筒内后用硅胶封装，制成了高灵敏度的压强传感器，其应力灵敏度达到了313.4110MPa ---⨯，是裸光栅的1720倍。

2004年，Sheng 等人制成了一种侧向压强传感器，可将外界对基底的侧向压强转化为光纤光栅的轴向应变，其灵敏度达到了312.210MPa ---⨯，是裸光栅的10900倍，使光纤光栅传感器应用于测量液压和气压等低压强的测量成为可能。

3、其它功能型封装通过设计不同的封装方式和外场施加方式，可以使光纤光栅实现更多的功能。

将光纤光栅分段嵌入两种不同的基底材料中(如图1(b)所示)，由于两段光栅将具有不同的应力和温度灵敏度，可以实现温度和应力的同时测量，从而解决了应力温度的交叉敏感问题；如果基底材料的横截而积沿光纤方向呈梯度分布(如图1(c)所示)，对基底施加轴向应力时，光栅将受到应力梯度的作用，光纤布喇格光栅转化可调谐啁啾光栅，此装置有望应用于光纤的色散补偿中。

图1二、光纤光栅应变传感器的封装1、粘贴式光纤Bragg光栅应变传感器在获取结构表而的应变中，传感器与结构表而的粘贴是非常重要的因素，直接将光栅粘贴于结构表面是困难的。

研制的传感器基木结构与传感原理如图2所示。

图2在图2(a)中，传感器由Bragg 波长为B λ的光纤Bragg 光栅(传感元件)组成。

该光栅粘贴于l d h ⨯⨯铜片（敏感元件）传感面a a ⨯线槽内。

在传感时，铜片上未贴光纤Bragg 光栅的平面被粘贴于被测物体的表面。

在图2(b)和图2(c)中，当传感器的敏感元件(铜片)受拉或受压时，粘贴在线槽内的光纤Bragg 光栅将随之在纵向拉伸或压缩。

光纤中的应变可引起光栅间距和折射率的光弹效应.当光纤的纵向应变为f ε时，波长偏移为(1)B B e f p λλε∆=-式中e p 为光纤有效光弹常数。

考虑光纤与铜片粘贴后形成的应变梯度，Bragg 波长的偏移与铜片的应变c ε之间的关系可表示为(1)B c f B e c C p λλε-∆=-式中c f C -为光纤与铜片间的粘贴系数。

为便于保护，传感器被封装于图3所示的盒子里，光纤从盒子的两侧的小孔引出。

在图3中，铜片上贴有光纤Bragg 光栅的平面面向盒内，以便保护光纤光栅和光纤引线；而另一而则背向盒子，以便粘贴于被测物的表面。

为防止潮湿对光纤的侵蚀和破坏，盒子内可注入柔性硅胶。

图32、埋入式光纤光栅传感器的封装结构光纤光栅传感器所用光纤与普通通讯用光纤基本相同，都由纤芯(core)、包层(cladding)和涂覆层(coating)组成。

光纤纤芯的主要成分为二氧化硅，其中含有极微量的二氧化锗，用以提高纤芯的折射率，与包层形成全内反射条件将光限制在纤芯中。

用于刻写光栅的单模光纤其纤芯直径为9m μ，包层主要成分也为二氧化硅，直径为125m μ。

涂覆层一般为环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，外径为250m μ，用于增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性，图4为其示意图。

图4布拉格光栅是利用光纤的紫外敏感特性，在光纤的一段范围内沿光纤轴向使纤芯折射率发生周期性变化而形成的芯内体光栅，其长度一般为10 mm 左右。

布拉格光栅中心波长与光栅栅距的关系为2b n λ=Λ其中，b λ，n 和Λ分别为光栅的布拉格中心波长、平均折射率和光栅栅距。

当光栅发生应变时，其波长会产生变化，二者的关系为610.7810/bb λμελε-∆=⨯因此，通过测量埋入光纤光栅反射光波长的变化即可得知该点处结构的应变。

可以在一根光纤上刻写多个中心波长不同的布拉格光栅，进行波分多路复用同时测量多点处的应变，构成准分布式传感。

但为准确地监测结构应变，必须首先明确布拉格光栅所测应变与结构真实应变的关系。

本文分析埋入式封装光纤光栅传感器的应变传递问题，即将光纤光栅通过环氧树脂等胶直接粘贴在毛细钢管内壁上，这样在光纤光栅和毛细钢管内壁之间存在中间粘贴层.由于光纤光栅所感受到的应变为胶接层内表面的应变，与毛细钢管内壁实际应变(胶接层外表面的应变)不同，本文即推导光纤光栅应变与毛细钢管内壁之间的关系，其封装示意图如图5所示图5其中图5(a)为标据长度为2L的光纤光栅传感部分，毛细钢管承受均匀轴向应力；图5(b)为1/4光纤光栅的纵剖面图；光纤光栅、中间层和毛细钢管各部分的受力情况如图5(c)所示.图中，下标m，c, g分别表示毛细钢管，胶接层和光纤光栅。

该模型与Ansari等推导基于白光Michelson干涉原理的光纤传感器所用模型基本相同，只不过他们将带有涂敷层的光纤直接埋入混凝土中，此时光纤和结构之间的中间层为涂敷层。

这两种封装方式都相当于3个同心的柱环结构，最外层结构内表面的轴向应变通过中间层的剪应力传递给中间层内表面的光纤。

经验表明：传感器体积越小，越容易与被测构件紧密的结合，作为测试构件应变的传感器对被测构件性能的影响就越小，因而就越能真实反应构件的应变。

因此，采用如图6所示的设计结构，对裸光栅进行封装，制作光纤光栅应变传感器。

具体方式如下：首先把光纤光栅粘贴在一薄铜片上，然后再作适当地保护，制成光纤光栅应变传感器。

实际测试时，将封装有光纤光栅的铜片粘贴于被测构件的表面，构件的应变则经胶粘剂传递到铜片及光纤光栅上，通过测量光纤光栅谐振波长的变化即可推测构件的应变大小。

图63、工字型钢柱封装光纤Bragg光栅应变传感器（ISPPS-FBG）封装结构如图7所示（图中量的单位为厘米）。

将光纤Bragg光栅沿轴向用丙烯酸胶粘贴在小圆柱上预割的槽道中点位置，待粘贴牢固后，用环氧树脂将槽道封死以保护光栅。

为了加大基体与ISPPS-FBG间的锚固强度，在小圆柱两端分别设计了两个大直径圆柱。

整个封装结构由整根钢料加工而成，整体性好。

ISPPS-FBG的标距为10cm，是混凝土粗骨料最大粒径的三倍，可满足试验要求。

ISPPS-FBG的测量是标距内的平均应变。

在ISPPS-FBG 两端突出圆柱上预留出直径为2mm的小孔。

以方便用抽管法埋设。

该封装工艺采用钢材作为封装材料，同混凝土、环氧树脂材料相比，质地均匀，其弹性模量容易获得，便于进一步分析。

图74、钢管封装光纤Bragg光栅温度传感器（STPT-FBG）如图8所示，本封装工艺基本原理是将光纤Bragg光栅与应变隔绝，使之只能感受到环境温度的变化。

制作方法首先是将光栅用外径为1.2mm、内径为0.8mm的钢管套装；然后用环氧树脂将套管与传输段光纤粘结在一起，使光栅的一端固定，一端自由；最后将套管的另一端密封。

图8三、光纤光栅温度传感器的封装1、光纤光栅温度传感器金属基片式封装结构光纤光栅这一新型光子器件自其问世起就一直为人们所重视。

近年来，光纤光栅在传感和通信领域的应用研究尤为引人注目。

作为传感元件，光纤光栅将被感测信息转化为其反射波长的移动，即用波长编码，因此不受光源功率波动和系统损耗的影响。

此外，光纤光栅具有可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀等特点。

光纤光栅温度传感器由于具有上述优点使其能够应用于其它类型的温度传感器所不适合的场所，如：材料或结构温度场的直接监测、高温高压环境下温度的测量、测量精度要求较高的场合以及光纤光栅传感网络的温度补偿等。

正是由于这些原因使得光纤光栅温度传感器越来越受到人们的重视。

本文通过对结构的优化设计研制了一种新颖的光纤光栅温度封装结构并研究了该结构封装光纤光栅的温度传感特性。