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125?m，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??与应变?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

??a???(as?a)?T （1）

pe?1式中：??(1/n)(dn/dT)；pe?(?1/n)(dn/d?)；a?(1/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1.13?10nm/℃和

?21.2?10?3nm/??，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[a???(1?pe)(as?a)]?T （2）

选用大热膨胀系数材料(as可设计出不同类型的温度增敏传感a，?)作为衬底材料，

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?3.41?10MPa，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?2.2?10MPa，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。

?3?1?3?1

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时，波长偏移为

??B??B(1?pe)?f

式中pe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之间的关系可表示为

??B?Cc?f?B(1?pe)?c

式中Cc?f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3

2、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9?m，包层主要成分也为二氧化硅，直径为125?m。涂覆层一般为环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，外径为250?m，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

?b?2n?

其中，?b，n和?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

1??b?b??0.78?10?6/??

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。