光纤光栅传感器的封装

1、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、

2、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卩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

3、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AX/九的值趋近于0。对于封装的光0纤布喇格光栅而言，其波长漂移A九与应变£和温度变化AT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AT1)a+g+(aa)sp1e式中：g=(1/n)(dn/dT)；p二(1/n)(dn/d£)；a=(1/L)(dL/dT)。实验表明，采用e负温度系数的材料对光纤光栅进行封装，可以在-2044°C温度区获得波长变化仅为0.08nm的温度补偿效果。

4、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1.13x10-2nm/C和1.2x10-3nm/憾，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。21温度增敏封装在无应变条件下，由式(2)得A九二九a+g+(1p)(aa)AT(2)0es选用大热膨胀系数材料（aa,匕）作为衬底材料，可设计出不同类型的温度增敏传感s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

5、80£范围内可将光纤光栅的温度灵敏度提高11.2倍。22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，ZhangY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-3.41x10-3MPa-i，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-2.2x10-

6、3MPa-1，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。光纤光Wl仙慣-哑混恃定矗诫人期厠裝（町组介朮分国懂人世厠叢可实现沮度

7、和应力囱同时测健光斛比书I聚命物U应办梯噬寵刹眾图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。光野芯包层拉伸対拉应蜜(0压应变图2在图2(a)中，传感器由Bragg波长为九的光纤Bragg光栅(传感元件)组成。该光栅粘贴B于lxdxh铜片(敏感元件)传感面aXa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

8、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*时，波长偏移为fAX=九(p)£BBef式中P为光纤有效光弹常数。e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*之间的关系c可表示为AX二CX(1p)*BcfBec式中C为光纤与铜片间的粘贴系数。cf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

9、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卩m，包层主要成分也为二氧化硅，直径为125卩m。涂覆层一般为环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，外径为250卩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。9jLcin/c(>r612gm/claddiugcoating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

10、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10mm左右。布拉格光栅中心波长与光栅栅距的关系为九=2nAb其中，九，n和A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b变时，其波长会产生变化，二者的关系为1AXb二0.78x10-6/遁九8b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

11、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所示他）liftedfibci:BnLgg(b)1/4比纤光樹戡面増b)Orcqu-arterofthefb-eigracing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

12、。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

13、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。“tePF先评汽上丨11丨I亠图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

14、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。二_計lyw”.图8三、光纤光栅温度传感

15、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

16、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。1.1结构设计在光纤光栅温度传感器的设计中应该考虑以下几个方面：首先，由于光纤光栅的温度系数较小，其单独作为温度传感单元的灵敏度不高，为了提高灵敏度可将光纤光栅粘贴于热膨胀系数较大的基底材料上；其次，在设计中还要考虑实际应用中温度与应力的纠缠问题；最后就是传感器封装过程中材料与结构设计要能够保证传感器在实际使用中的安全性和稳定性。综合以上因素我们设计了一种结构解决了温度测量过程中的应力纠缠问题并且在充分保护光纤光栅的基础上提高了灵敏度，其结构简图如图9所示。图9在一个长40mm，宽10mm的薄铁片上开一个对称结构

17、的槽（金属基片的尺寸根据待测构件的大小以及应用环境酌情考虑），这样金属基片就形成了内外两个矩形结构（见图9），然后在内部的矩形上开一个横向的凹槽用来放置光纤光栅（见图9），在使用的过程中，把光纤光栅用选配的环氧树脂胶粘试剂刚性的对称粘贴于金属基片的中心部位上，整个结构只通过外层矩形结构与待测构件进行固定，从而保持内部结构不受应力的作用，来完成温度的独立测量。2、光纤光栅温度传感器的封装方法riTp-.j-j-rji-rrr-S.为满足实际应用的要求，在设计光纤光栅温度传感器的封装方法时，要考虑以卜因素:（1）封装后的传感器要具备良好的重复性和线性度；（2）必须给光纤光栅提供足够的保护，确保封装

18、结构要有足够的强度；（3）封装结构必须具备良好的稳定性，以满足长期使用的要求。细钢管/、胶图10在进行封装结构的设计时，首先，考虑了将光纤光栅用胶封装在毛细钢管中。结构形式如图10所示。在制作过程中发现，由于毛细钢管很细，很难将胶均匀的充满在毛细钢管中,因此，该结构不能方便制作。并且在胶的固化过程中会在毛细钢管中产生气泡，这将导致光栅的受力不均匀，很容易对光栅产生破坏。为了避免在毛细钢管中灌胶，设计了如图11所示的封装结构。封装所用的细管为不锈钢钢管。细钢管1、细钢管2和细钢管3的外径依次为2.0，1.5,1.0mm,长度依次为50,10,15mm。各钢管之间以及最内层钢管和光纤之间用胶粘接。

19、在实验中发现，对于采用图11所示结构封装的温度传感器，在封装时给光纤光栅施加一定的预张力，就可以使传感器具备良好的重复性。3、FBG温度传感器的封装及分析采用的FBG利用相位母板复制法制作而成。FBG被写在普通掺H光纤上，制作时涂敷层被剥除，直径仅为125m，抗剪能力很差，容易折断。在实际工程应用中，为保证FBG传感器安装时不受损坏，必须采取封装措施对其进行保护。一般而言，在中心波长为1550nm附近时，光栅对温度的响应度为13pm/°C，对应力的响应度为1.2pm/茁。根据FBG写入方式和退火工艺的不同，不同FBG的传感灵敏度会有所差别，尤其是经过封装以后，封装材料将会对FBG的温

20、度敏感性有很大的影响。因此，封装后的FBG必须经过重新标定才能用于实际测量。图12所示为一种改进的Al盒封装方式。Al盒长为30mm,宽为7mm,厚为2mm,盒内部有一弧形小槽，宽为2mm,深为1mm。FBG弯曲放置在里而，分等长3段考虑，中间的1/3段粘在小槽上，另外2/3处几自山状态，FBG外的两端也尽量松弛，不受拉力。然后，在小槽两端用结构胶将光纤固定，待两端固定后，往弧形小槽里而填充不固化的导热膏，加盖封装。fib尸aFRCi图12经封装后，由于FBG弯曲，盒内FBG两端的光纤处与松弛状态，使轴向应力不会传递到FBG上。弧形小槽内填充物为膏状，不固化，对外界应力有缓冲和吸收的作用，因此

21、小槽内的FBG不会受到外界应力的影响。封装后FBG的热光系数并没有改变，但FBG和导热膏及Al盒封装在一起，Al盒的热膨胀系数很大，当温度发生变化时，Al盒膨胀，FBG会受到拉应力，长度发生变化，增大了中心波长的漂移，起到温度增敏的作用。封装后，FBG中心波长与温度的变化关系为A九二九a+Y+(1-P)(a-a)ATBeisub式中，a是Al的热膨胀系数，一般为23X10-6/C。利用FBG纵向表达式为£=AL/L，subzL为FBG的总长度，AL为FBG的伸长量。Al盒受到热膨胀时引起的应变即为(aa)AT=AL/L，长度变化为AL=L(aa)AT，由于FBG只有1/3粘在基底材s

22、ubsub料(Al盒)上，当温度变化时，长度变化为AL=(aa)ATxL/3，整个FBG受到的应变sub为AL/L=(a-a)AT/3，因此封装后中心波长与温度变化的关系为subAX=Xa+Y+(1-P)(a-a)/3ATBeisub通过计算可知，封装后FBG的温度灵敏度为20.2pm/Co4、光纤光栅铝槽封装工艺光纤光栅的铝槽封装工艺如图13所示,即将光纤光栅用环氧树脂封装在一个刻有一细槽的铝条(其横截而为长方形)内,槽与铝条中轴线平行，铝质为铸造铝合金。封装时，尽量保证光纤光栅平直并位于槽的底而轴线上。注入环氧树脂时，要适当加热，以增加其流动性，保证槽内充满密实，并减小形成气泡的可能性，确保树脂不溢出槽外，以便于加盖保护铝片。在铝板上有四个螺孔，左边的两个螺