光纤光栅温度、应变传感器封装技术
1 引 言
1978 年，Hill 等人首次发现光纤的光敏效应制成世界上第一根光纤光栅。在此基础
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上 Meltz 等人于1989 年通过紫外光侧面写入技术，使光纤光栅的制作技术有了突破性进展，成功研制第一支位于通信波段的FBG传感器。光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、偏振不敏感、易于与光纤连接、便于使用和维护、带宽宽、附加损耗小、耦合性好等诸多优点,具有良好的实用性。随着光纤光栅写入技术逐渐完善，及光纤光敏性不断提高，各种特殊光纤光栅相继问世，基于光纤光栅的传感技术已经成为目前光纤传感领域研究最为活跃的方向之一，特别是在某些极端环境下，如超低温、真空、强腐蚀的环境中，具有其他传感器无法比拟的优势。目前，光纤光栅传感器制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此已经被广泛应用于土木工程、航空航天、海洋、油田等领域，并且在一些应用领域实现了商品化，展现出十分广阔的发展和应用前景。
然而裸光纤光栅直径只有125μm，质脆易折断，而且对于外界物理量响应的灵敏度不高，只有对其进行保护增敏封装之后才能使用。对传感器进行封装处理不仅可以增加使用寿命，还可以改善传感器性能。因此光纤光栅的封装处理就成为光纤光栅传感器实用化的一个非常重要的环节。
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2 FBG温度传感器封装方法
在实际测量应变或温度时需要对传感器进行封装。本节对目前常用的环氧胶粘接封装、全金属封装和非金属氧化物封装进行介绍。
2.1 环氧胶粘接剂封装
2001年Toru Mizunami等人提出用聚四氟乙烯（Teflon）作为基底材料来获得更高的灵敏度，设计了两种封装模式，一种是将传感器夹在两个基板中间，在液氮环境下，温度灵
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敏度为39pm K1。另一种是将传感器用环氧树脂粘贴在基底表面，这样结构较小，但灵敏度比前者低百分之五。
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2002年周智[4]等人将光纤光栅用环氧树脂封装在毛细钢管内，钢质为不锈钢。封装时使光栅处于管的正中部位。向管内注入环氧树脂，保证管内充满密实，该工艺大大改变了光纤光栅的温度传感特性，其灵敏度系数约为裸光纤光栅的2.5倍，即为14.2×10-6/℃左右，经过毛细钢管封装后，大大提高了温度敏感特性，可以达到识别温度0.05℃的精度。
2011年Cherl-Hee Lee等人提出了一种提高温度传感器灵敏度的方法，光纤光栅的两边用环氧树脂粘在圆柱形的铁管上，然后再插入并粘到圆柱形铜管上。圆柱体的高热膨胀系数铜管拉动光纤光栅的两侧，温度灵敏度比裸光纤光栅提高3.3倍。
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2018FBG封装在中空的毛细锌管内。封装时先对FBG施加预应力，然后将熔融态聚合物注入锌管两端。使FBG的温度灵敏度分别提高到21.87、 35.13pm/℃，为裸光栅的2.3、3.6倍，且响应速度无明显变化，中心波长也具有良好的稳定性，FBG封装结构如图3。
光纤光栅传感器最常用的封装方法是环氧胶粘接封装。然而，环氧胶粘剂包装技术的缺陷如下：
（1）长期使用容易出现老化和蠕变现象。
年孙庆华[6]等人分别采用改性丙烯酸酯和环氧树脂将受预应力的
（2）对测量的线性度、重复性和响应时间有一定的影响。 （3）受外界环境的影响很大。.
当温度较高时，环氧胶粘剂容易脱落、变形。因此，全金属封装技术开始受到重视。
2.2 全金属封装
2005年Lupi C等人使用EMITECH K950进行真空蒸发沉积3.5 μm厚的铝导电层，然后通过传统的电沉积工艺进行锌镀层的沉积。并在15~40 K温度范围内测试，15K时为灵敏
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度为0.004 nm K1，40K时为灵敏度0.023 nm K1。
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2008年Rajini-Kumar等人设计了一种用于测量低温的金属包覆光纤布拉格光栅传感器。采用电沉积和气相沉积相结合的方法制备了双层金属涂层FBG。首先在裸栅上沉积铝层，涂层厚度为125μm；再沉积铟层，二次镀层厚度为625μm。在15K的环境中传感器各性能良好。
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2011年 Alemohammad H 等人用激光辅助无掩模微沉积（LAMM）方法，在光纤上沉积银薄膜，将镀银光纤放入钢板上的微槽中，用硫酸镍镀液进行电沉积。电镀完成后，采用激光固体自由成形技术（LSFF）在钢件一端沉积一层碳化钨钴（WC-Co）。封装过程如图4，嵌入式FBG的样本横截面如图8。此方法提高了传感器的灵敏度，实现嵌入式FBG传感器在机床结构分析中的应用，该传感器在嵌入后具有良好的线性特性，并且沉积层无裂纹、孔隙和分层。
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2015 年Dirk Havermann等人提出了一种利用激光熔覆技术将金属涂层FBG嵌入到金属结构中的方法，封装过程如图。使用溅射技术将FBG涂上一层铬；随后使用电镀沉积方法电镀镍来增加涂层厚度；最后用激光熔覆技术将其嵌入钢合金结构中，论证了在不锈钢组件中嵌入涂有相对较薄金属外壳的FBG的可行性。
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2018 年ZHU Z Q等人通过超声波焊接将电镀镍FBG间接嵌入钛合金智能结构件中，先进行化学电镀，使FBG表层沉积镍涂层，形成导电层。然后将FBG放入带有半圆弧的两个钛合金板中（如图），用超声波依次焊接两侧。此方法使得FBG的温度灵敏度达到
20.92pm/℃，是原裸光纤光栅的2.13倍。实验表明金属化FBG间接嵌入钛合金结构是一种有效的方法。
2019年戎丹丹[12]等人提出一种基于一步超声波焊接的金属化方法。将 FBG 两端分别固定在特制光纤夹具上，调整 FBG使其刚好位于凹槽体中心，让熔融状态的锡合金在超声波的作用下均匀密致的分布在空槽中。空槽模具结构如图2。实现了 FBG 的柱体金属化封装，在 20 ～55℃ 的各个温度稳定点传感器波长漂移标准差仅为 2. 1 pm; 温度灵敏度达到 36. 38 pm /℃。
2.3 非金属封装
理论上，金属包装可以避免胶粘剂老化等相关问题。然而，金属封装光纤光栅的锈蚀、氧化和脱落等问题还没有解决，不能在恶劣的环境下长期使用。非金属氧化物封装在恶劣环境中展现出较大优势。
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2012年BARRERA D等人利用陶瓷管和镍合金管对再生光纤光栅（RFBG）进行了封装。把裸光纤光栅放入两孔陶瓷（氧化铝）管中，陶瓷外部是金属（铬镍铁合金600）外壳，光纤光栅位于金属外壳的顶部（如图所示）。底部的陶瓷管和金属外壳使用高温陶瓷粘合剂粘合。包装完成后对进行高温退火处理。该传感器最高测试温度达 1100 ℃，误差为 ± 5 ℃。
2018年谢仁伟[14]等人提出了一种FBG温度传感器封装方法,该方法采用管式结构封装，使用低熔点玻璃将聚酰亚胺涂覆层FBG封装在圆柱形氧化铝陶瓷管中, 提高了传感器长期工作中的稳定性。解决了传统环氧胶封装FBG传感器长期使用时出现的蠕变、啁啾等问题,在液氮环境中，FBG传感器六天时间里波长变化的标准差为0.43pm。实验结果表明该传感器具有良好的低温稳定性, 这项研究对FBG传感器的航天化应用具有重要意义。
光纤光栅温度、应变传感器封装技术
