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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划采用热膨胀系数较大的增敏材料封装光纤光栅是增加温度灵敏度的有效途径光纤光栅与结构集成工艺原理方法及国内外研究现状概述概述光纤传感器种类繁多，能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势，如：本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等，因此其应用范围非常广泛，并且特别适于恶劣环境中的应用。但是因为裸光纤纤细、质脆、尤其是剪切能力差，直接将光纤光栅作为传感器在工程中遇到了铺设工艺上的难题。因此，对裸FBG进行封装，是将FBG传感器在实际应用中推
2、广的一个重要环节，对于研制满足航空航天领域需要的体积小、质量轻FBG传感器具有重要意义。一、光纤光栅工作原理光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：?1?2?2?1、2是正、反向传输常数，是光纤光栅的周期，在写入光栅的过程中确定下来。当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相应的频率上被反射回来，其余的不受影响从光栅的另外一端透射出来。光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称为布拉格条件。由光纤光栅相位匹配条件得到反射中心波长表达式：二、光纤光栅的写入短周期光纤光栅的写制内部写入法(又称驻波法)将波长488nm的基模氢离子激光从一个端面祸合到锗掺杂光纤中，经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的
3、入射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅。此方法是早期使用的，该方法要求?B?2n?锗含量很高，芯径很小，并且只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅，因此目前很少被采用。全息成删法(又称外侧写入法)1989年，Meltz等人首次用此方法制作了横向侧面曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在掺锗光纤的侧面相干，形成干涉图，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。写制设备装置如图所示。通过改变入射光波长或两相干光束之间的夹角，可以得到不同栅格周期的光纤光栅。但是要得到高反射率的光栅，则对所用光源及周围环境有较高的要求。该
4、方法采用多脉冲曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受震动或温度的影响，目前这种方法使用也不多。单脉冲写入法由于准分子激光具有很高的单脉冲能量，聚焦后每次脉冲可达J/cm2，近年来又发展了用单个激光脉冲在光纤上形成高反射率光栅。英国南安普敦大学的Archambanlt等人对此方法进行了研究，他们认为这一过程与二阶和双光子吸收有关。由于光栅成栅时间短，因此环境因素影响较小。此外，此法可以在光纤拉制过程中实现，避免了光纤受到额外的损伤，保证了光栅的良好强度和完整性。但是形成光栅的短波长损耗严重，且不稳定。该方法对光源的要求不高，适用于低成本、大批量生产。相位掩膜法将用电子束曝光刻好的图形掩膜置于
5、裸光纤上，相位掩膜具有压制零级，增强一级衍射的功能。紫外光经过掩膜相位调制后衍射到光纤上形成干涉条纹，写入周期为掩膜周期一半的Bragg光栅。这种成栅方法不依赖于入射光波长，只与相位光栅的周期有关，因此对光源的相干性要求不高，简化了光栅的制造系统。这种方法的缺点是制作掩膜复杂。用低相干光源和相位掩膜版来制作光纤光栅的这种方法非常重要，并且相位掩膜与扫描曝光技术相结合还可以实现光栅耦合截面的控制，来制作特殊结构的光栅。该方法是目前写入光栅极有前途的一种方法。长周期光纤光栅的写制振幅掩膜法振幅掩膜法是目前制作长周期光纤光栅最常用的一种方法。紫外光通过掩膜后再经过一个光学系统将掩膜图像精缩并成像到光
6、纤的芯子上从而实现光栅的写入。这种方法对紫外光的相干性没有要求，但需要复杂的光学系统支持。目前该方法较少使用。逐点写入法此方法是利用精密机构控制光纤运动位移，每隔一个周期曝光一次，通过控制光纤移动速度可写入任意周期的光栅。这种方法在原理上具有最大的灵活性，对光栅的耦合截面可以任意进行设计制作。原则上，利用此方法可以制作出任意长度的光栅，也可以制作出极短的高反射率光纤光栅，但是需要精确的位移移动技术，而且写入光束必须聚焦到很密集的一点，需要复杂的聚焦光学系统来支持，囚此这一技术主要适用于长周期光栅的写入。目前，由于各种精密移动平台的研制，这种长周期光纤光栅写入方法正在越来越多的被采用。啁啾光纤光
7、栅的写制全息法这是在外写入均匀周期光纤光栅的基础上建立起来的。在相干光的两臂中分别放置一柱面镜，这样得到的干涉条纹间距会随着柱面镜的焦距及其放置位置的改变而改变。利用这种方法得到的啁啾光栅带宽可达几十纳米。这种方法的优点是灵活性好，缺点是不易精确控制。两次曝光法这种方法可采用较简单的制作均匀光纤光栅的曝光光路。第一次曝光在光纤上并不形成光栅，仅形成一个渐变的折射率梯度，第二次曝光过程则是在第一次曝光区域上继续写入周期均匀的光栅，两次效应迭加便构成了一个啁啾光栅。这种方法的优点是利用了制作均匀光栅的曝光光路，使得制作方法大大简化。光纤弯曲法这是在均匀光栅中引入光纤的机械变形，形成啁啾光栅的一种方
8、法，由于光纤的弯曲角度渐变，造成光栅的周期渐变。这种方法引入的啁啾量不能过大，否则栅齿倾斜，会引起导模耦合成包层模而造成附加损耗。除了上面提到的几种写制方法外，还有锥形光纤法、应力梯度法、复合啁啾光栅法等方法，还可以用模板直接写入啁啾光栅，在写入过程中对光纤施加应力也可以产生啁啾光栅。新的光纤光栅的写制方法直接写入法直接写入法是指在制作光纤光栅时，无须剥去光纤的涂覆层而直接在纤芯上写入光纤光栅的方法。此法关键是采用对紫外光透明的材料作为光纤的涂覆层。目前报道的这种光纤涂覆层材料有丙烯酸醋或GeneralElectricRTV615硅胶两种。通过加人紫外光强度、减小涂覆层厚度以及对光纤进行氢载等
9、方法可以有效提高光纤光栅的写入时间。传统的光纤光栅制作方法必须采用裸纤，制作完毕后要立即进行涂覆，而这种新方法减少了这种工艺复杂性，其有很好的应用前景。在线成栅法这是最新出现的一种成栅方法。南安普敦大学的Ldong等人采用脉冲单点激射的方法，首次实现了光纤拉制过程中写入光纤光栅的实验。通过对干涉系统中两束干涉光夹角的调节，可在线自动写入反射波长不同的一系列光纤光栅。使用这种方法，制造工艺简单，提高了光栅性能的稳定性，对连续大批量地制造光纤光栅和在同一根光纤中写入光栅阵列有重要的应用价值。这一技术一旦成熟，将极大的推动光纤光栅技术实用化的进程。但这种方法需要对所使用的准分子激光光束截面进行改进，
10、距离实用化还有一段距离。微透镜阵列法这种写入长周期光纤光栅方法的关键技术是采用一种微透镜阵列，将一平行的宽束准分子激光聚焦成平行等间距的光条纹，投影到单模光纤上，相邻微透镜之间无间隙，其中心间距决定了光栅的空间周期。这种方法写入一个长周期光纤光栅仅需lOs。通过控制写入时间和写入光栅的总长度，可以用同一块微透镜模板写入不同波长、不同透射率的长周期光栅。缺点是透镜模板制作非常困难。CO2激光写入法采用106m自由空间二氧化碳激光器对光纤直接曝光，通过计算机控制平移台，实现光纤的准直、固定及曝光间距的控制，可以写入不同周期的长周期光栅。该方法无须采用紫外光，对光纤可以不用载氢处理，有很好的应用前景
11、。此外，还有移动平台法、光纤刻槽拉伸法、聚焦离子束(FocusedIonBeam:FIB)写入法等，各种写制方法各有有缺点，只有解决的各项关键技术，才能加速光纤光栅技术实用化的进程。三、光纤光栅的封装工艺光纤光栅传感技术适合应用在很多恶劣的环境中，但由于光纤纤细柔软，容易被损坏，因此需要采用一些封装方法，保护光栅。如果要利用光纤光栅进行传感，需要适当的封装技术，增加其敏感度，以利于检测解调。在某些情况下，我们不希望温度(或应变、压力)对布拉格波长产生影响，就要对光栅进行减敏封装，降低它对温度(或应变、压力)的灵敏度。利用光纤光栅进行传感面临的又一难题是温度、应变交叉敏感问题。温度和应变都能引起
12、布拉格波长的漂移，从单一的波长漂移量，我们无法区分其中哪些是温度变化引起的，哪些是应变引起的。这给我们出了很大的难题。要实现光纤光栅传感器的实用化，就必须采用各种封装技术，或者剔除温度的影响，或者实现温度、应变双参数及多参数的同时测量。在实用中对光纤光栅进行恰当的封装非常必要，封装工艺的好坏直接影响到光纤光栅传感器能否从实验室走向实用，对光纤光栅封装技术进行研究，设计更好的封装结构和工艺尤为重要。每一种封装都是为了实现一种功能，光纤光栅封装技术从功能上大致可以分为三类：保护性封装、敏化封装、补偿性封装。保护性封装光纤柔软、纤细、易断，直接应用于工程的恶劣环境(如混凝土的浇铸和振捣棒的振动)中，
13、存活率低，容易被破坏，这就需要对光栅进行必要的保护性封装，对栅区、光纤接头焊点及引纤加以保护，使它能存活并正常工作。这种保护性封装一般有片式和管式两(转载于:写论文网:采用热膨胀系数较大的增敏材料封装光纤光栅是增加温度灵敏度的有效途径)种。片式封装适合表贴在梁的表面，而管式封装适合埋入到建筑物内部。(1)表贴式封装表贴式封装是用金属片做衬底，在上面刻槽，把光纤光栅放在槽里粘牢，并在外面涂上保护性胶，以起到对光栅的保护效果。理想状态下，金属片既可以对光栅起到有效的保护作用，又可以准确的传递基体被测点的应变。目前，用作衬底的金属片一般是钢片或者铝片。片式传感器的封装过程一般是首先将衬底表面用砂纸打
14、光，然后用脱脂棉蘸丙酮或者酒精清洗表面和预先刻制的槽道。用502胶等速干胶把光栅均匀粘贴在布拉格光栅的研究1概述光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有高灵敏度、低损耗、易制作、性能稳定可靠、易与系统及其它光纤器件连接等优点，因而在光通信、光纤传感等领域得到了广泛应用1。在光纤通信领域，利用光纤光栅可以制成光纤激光器、光纤色散补偿器、光插、分复用器、光纤放大器的增益均衡器等2，这些器件都是光纤通信系统中不可缺少的重要器件，可见光纤光栅对光纤通信的重要性，因此光纤光栅也被认为是掺铒光纤放大器之后出现的又一关键器件。在光纤
15、传感领域，光纤光栅也起到了及其重要的作用。光纤光栅的传感机制包括温度引起的形变和热光效应、应变引起的形变和弹光效应、磁场引起的法拉第效应及折射率引起的有效折射率变化等。当光纤光栅所处的温度、应力、磁场、溶液浓度等外界环境的发生变化时，光栅周期或者光纤的有效折射率等参数也随之改变，通过测量由此带来的光纤光栅的共振波长变化或者共振波长处的透射功率变化可以获取所需的传感信息3，由此可见，光纤光栅是波长型检测器件，所以其不光具有普通光纤的优良特性，而且测量信号不易受光强波动及系统损耗的影响，抗干扰能力更强，还可利用波分复用技术，实现对信号的分布式测量。由于光纤光栅的应用范围较为广泛，故本文只针对光纤光栅传感的应变检测机制进行一定的研究。光纤光栅可分为布拉格光栅和长周期光栅，在应变检测中，一般采用的布拉格光栅，下文中出现的光纤光栅指的是布拉格光栅。本文主要的工作主要是分析光纤光栅应变检测的原理，对光纤光栅应变检测进行一定的综述，以及对应变检测中很重要的增敏技术进行研究，并总结。2应变检测原理根据光纤光栅的耦合模理论，光纤光栅的中心波长B与有效折射率neff和光栅周期?满足如下的关系4?B?2neff?(2-1)光纤光栅的反射波长取决于光栅周期?和有效折射率neff，当光栅外部产生应变变化时，会导致光栅周期?和有效折射率neff的变化，从而引起反射光波长的偏移，通过对波长
