光纤光栅传感器的封装技术资料

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1、光纤光栅传感器的封装技术摘要光纤布拉格光栅传感器是一种新型的光纤传感器，它利用的是布拉格波长对温度、应变敏感的原理。与传统的电学传感器相比，它还具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、复用性强等优点。正因为这些独特的优点，光纤布拉格光栅越来越多的被应用到大型结构、电力、安防、石化、医学、矿井、军事等领域，其中，最引人瞩目的是光纤光栅温度传感器在长距离测温系统中的应用。随着中国物联网发展战略的实施，光纤传感领域的研究和产业化面临着巨大的机遇和挑战。本文综述了光纤光栅温度传感器的传感原理，光纤光栅传感器封装技术分类，分为保护性封装，敏化封装，以及补偿性封装，列举了三个封装技术的实例，对他们的封装结构，封装

2、中的技术工艺，以及封装后的一些参数进行了介绍。目录1、绪论21.1 光纤光栅传感器封装技术概述22、光纤光栅传感原理32.1光纤光栅传感器的结构和原理32.2光纤光栅传感技术的类型简介43.光纤光栅传感器封装技术分类53.1保护性封装53.2 敏化封装63.3补偿性封装64.封装技术实例74.1光纤光栅温度传感器抗应变串扰封装74.2Polyimide（聚酰亚胺）光纤光栅温度传感器的封装104.3镀铜光纤光栅的全金属封装11参考文献141、绪论1.1 光纤光栅传感器封装技术概述光纤光栅是普通光纤经过特殊的光学工艺处理后，使纤芯折射率沿轴向，呈现周期性规律分布的物理结构，其实质就是在纤芯内形成一

3、个窄带的(透射或反射)光滤波器或反射镜。通过人为改变光纤光栅结构的分布，我们可以主动控制光在光纤中的传播行为，光纤光栅结构的多样化可以使其光谱响应特显得非常丰富。同时，光纤光栅具有结构简单、器件微型化、带宽范围广、耦合性好、附加损耗小、可与其他光纤器件融成一体等特点，除此之外光纤本身具有轻质、电绝缘、柔韧、抗电磁干扰、径细、化学稳定等优点，使得光纤光栅在光纤传感、全光通信、光信息处理等领域具有巨大的应用前景。光纤光栅传感器是以布拉格条件为基础，以光纤光栅为载体，发展起来的一种本征波长调制型传感器。光纤光栅传感器是利用透射或反射谱波长峰值的变化，进而实现对物理量的测量。透射(反射)谱波长与光栅纤

4、芯的有效折射率及折射率调制周期密切相关。当外界应变与温度发生变化时，光纤光栅的纤芯折射率与折射率调制周期就随之变化，然后影响光纤光栅的透射(反射)谱峰值波长的移动，通过测量Bragg峰值波长的移动量，实现对外界物理量变化的测量，上述即是光纤光栅传感器的基本工作原理。光纤光栅传感器可以实现对应变、温度、压力、电流、振动等基本物理量测量。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，我们不希望温度仁或应变、压力)对布拉格波长产生影响，就要对光栅进行减敏封装，降低它对温度仁或应变、压力)的灵敏度。这两种技术统称敏化技术。目前，一些敏化技术已经在实际中得到应用，

5、但还有相当一部分停留在实验室阶段。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。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。 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

6、的封装结构和工艺尤为重要。2、光纤光栅传感原理2.1光纤光栅传感器的结构和原理光纤光栅是发展最为迅速的一种新型光纤无源器件，是利用光纤材料的光敏性使纤芯内形成空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成窄带的滤波器或反射镜。以下简单介绍应用最为普遍的光纤布拉格光栅(FBG)的相关原理，图2.1为其波导结构及传输光谱示意图。由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长可表示为：B=2neff式中，B为光纤布拉格光栅的中心反射波长或谐振波长，neff为光纤纤芯对自由空间中心波长的有效折射率，为光纤布拉格光栅的光栅周期，上述公式称为光纤布拉格光栅的相位匹配条件。FBG的传感原理可以简单地概括为:入

7、射光经过纤芯的布拉格光栅结构时会发生散射，当入射光的波长不满足布拉格匹配条件时，各个光栅面的散射光的相位会错乱以致相互抵消。当入射光的波长满足布拉格匹配条件时，各光栅面的散射光相位保持一致，反射回来的光会得到逐步累积加强，形成反向传导的反射峰。根据公式可知，光纤布拉格光栅的中心反射波长由纤芯的有效折射率和光栅周期共同决定。有多种物理量可以改变纤芯的有效折射率和光栅周期(如加速度、超声波、力等)，但它们都可以通过某种特殊的方式转化为应变和温度对FBG的影响。一方面，当FBG的轴向应变发生改变时，会引起光栅周期的改变，并由于弹光效应，导致FBG的有效折射率也发生改变;另一方面，当FBG的温度发生变

8、化时，由于热胀冷缩而引起光栅周期改变，并且根据光纤的热光效应，使得FBG的有效折射率也会发生改变。因此，由温度和应变的变化而引起FBG的中心波长漂移的关系表达式为:B=2neffT+neffTT+2neffl+nefflT为温度变化量，l为FBG的长度变化量，是光栅周期的变化量。公式右边两项分别代表温度和应变对FBG中心波长的影响。第一项描述由温度的变化而引起FBG中心波长的漂移，第二项描述由应变的变化而引起FBG中心波长的漂移。2.2光纤光栅传感技术的类型简介（1）强度调制型光纤传感技术强度调制，是一种解调相对简单、应用相对广泛的光纤传感技术。其基本原理是外界环境(压力、振动、位移和气体等被

9、测量)以某种特殊的方式改变光纤中传输的光强(即调制)，再通过测量输出光强的变化(解调)来获得被测量的信息。光强调制技术具有结构简单、可兼容、低成本等优点，但是检测的光信号容易受光源波动(光纤微弯和连接器损耗等)的影响。光强调制型光纤传感器主要有光纤微弯传感器、光纤受抑全内反射传感器、光纤辐射传感器等。（2）频率调制型光纤传感技术频率调制，是指外界环境(被测量)以某种特定的方式改变光纤中传输光的频率，再通过检测光波频率的偏移量来获得被测量的信息。一般需要利用光纤的非线性特性实现检测。（3）相位调制型光纤传感技术 相位调制，是指外界环境(被测量)以某种特定的方式改变光纤中传输光的相位，再利用干涉仪

10、等来测量相位的变化从而获得被测量的信息。由于在传感过程中，需要采用特殊的光纤及高精度的检测系统，因此，光相位调制技术的检测成本高。该类型的传感器具有高灵敏度、测量对象广泛、灵活多样等优点。相位调制型光纤传感器主要有:Mach-Zehnder光纤干涉仪、Michelson光纤干涉仪、Sagnac光纤干涉仪和光纤Fabry-Perot干涉仪等。（4）偏振调制型光纤传感技术偏振调制，是指外界环境(被测量)以某种特定的方式使光纤中传输光波的偏振面发生偏转，再通过测量光波偏振态的变化来获得被测量的信息。光偏振调制技术的优点是不仅避免了光源强度变化的影响而且检测精度高。（5）波长调制型光纤传感技术 波长调

11、制，是指外界环境(被测量)以某种特定的方式改变光纤中传输光的波长，再通过测量波长的漂移量来获得被测量的信息。波长调制型光纤传感器具有抗干扰能力强和波长编码等优点。3.光纤光栅传感器封装技术分类3.1保护性封装这种保护性封装一般有表贴式和管式两种。表贴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)表贴式封装赵雪峰等人设计了一种片式封装结构，如图3-1所示。衬底采用厚度为2mm的“工”字形钢片，中部钢片宽5 mm，长100 mm，两侧钢片宽20 mm，长 30 mm。在中部钢片的两侧各焊接一个厚度5 mm，直径20 mm的圆形钢片以增加封装结构与基体的锚固。在钢片上预留3mmx3

12、mm的方孔以方便光纤的布设。将封装结构用固定在钢筋架上的金属丝固定在试验梁跨中混凝土截面中，这样就尽量避免了振捣棒与之接触，减少了混凝土对传感器的冲击。实验证明，这种封装结构的传感器存活率高，应变与波长的线性度好，但测量点应变的传递损失为21%，这与封装结构所选的衬底、与粘接层、与金属丝的固定方法都有关系，须引入应变修正系数对一结果进行修正。图3-1 “工”字形片式封装结构示意图(2) 金属管保护封装管式封装通常是把光纤光栅封装在不锈钢管中，以达到保护光栅的目的。董兴法等人采用管式封装，设计了一种用于结构损伤检测的实用的光纤光栅传感器。他们将一半长度的FBG用直径为0.5 mm的不锈钢管紧包封

13、装，另一部分用外径小一点的不锈钢管松套封装，然后共同套入匹配的不锈钢管内部，如图3-3所示。这样只有第一部分FBG接受外套管传感的受力，另一部分FBG就可以进行温度补偿，在光栅自由段填充适当热膨胀系数的液体或固体材料，将有效的消除温度变化对测量结果的影响。图3-2 能克服应变温度交叉敏感的FBG管式封装图3.2 敏化封装裸光删对温度、应变和压力的灵敏度都不高，这给我们传感检测带来一定的难度，在某些需要高灵敏度传感的场合往往不能满足需要。多年来，国内外学者在对光栅的增敏封装方面做了许多研究工作，成果显著。在温度增敏方面，被普遍采用的一种方法是把光栅封装在一种高热膨胀系数的基底材料中，由于普通石英

14、光纤的热膨胀系数只有0.5*10-6/,金属的热膨胀系数是是它的几十倍，有机聚合物的热膨胀系数更高，因此依靠基底的带动作用，可以使封装后的光栅在相同温度变化时比裸光栅产生更大的轴向应变，从而起到增敏的效果。封装结构一般为块式，如图3-3所示为温度增敏封装结构示意图。3.3补偿性封装由于光纤布拉格光栅存在温度应变交叉敏感问题，使我们在实际应用中无法从单一的波长漂移分辨出这究竟是应变引起的还是温度变化引起的。在很多情况下，比如大型建筑物的健康监测，我们对光栅粘贴位置的应变感兴趣，温度变化带来的波长漂移会严重影响应变的测量，因此必须对光纤光栅进行恰当的封装，消除温度变化造成的影响，也就是对温度进行补

15、偿。目前，光纤光栅的温度补偿方法大致分为两类:一类是有源方式，即用外加电路设备控制光栅器件所在的工作环镜温度;另一类是无源方式，即以适当的结构与材料对光纤光栅进行封装，通过封装结构在原理上剔除温度对应变测量的影响，或者实现温度和应变双参数的同时测量，甚至多参数的同时测量。最简单的无源温度补偿方案就是在传感光栅旁边再放置一根不受应力作用的参考光栅，两个光栅所处的环镜温度是相同的。参考个光栅的温度特性是通过标定的，从它的波长与温度的对应关系就能直接知道环镜温度，然后根据传感光栅温度特性曲线就可以从传感光栅的波长漂移中剔除温度的影响，解调出应变。贾宏志等人在光纤的同一位置写入不同周期的光栅，实现了温度应变的同时测量。刘云启等人把一个光栅分成两部分分别封装在两个聚合物基底中，所得两部分光栅的温度特性和压力特性不同，实现了单光栅压力和温度的同时测量。实验得到压力分辨率为0.36 MPa，温度分辨率为0.3。张颖等人采用预应变封装技术在一个光栅上得到了两个反射峰，克服了温度、应变交叉敏感问题。董兴法等人设计的金属管分段封装方法，也实现了单个光纤光栅温度和应变的同时测量。孙安等人采用空心的悬臂梁结构粘贴光栅，使光栅在悬臂梁自由端受力时产生啁啾，出现两个反射峰，两峰间的距离随压力成线性变化。