光纖光柵傳感器功能型封裝技術(shù)研究

光纖光柵是一種新型的光無(wú)源器件，它通過(guò)在光纖軸向上建立周期性的折射率分布來(lái)改變或控制光在該區(qū)域的傳播行為和方式。其中，具有納米級(jí)折射率分布周期的光纖光柵稱為光纖布喇格光柵(即FBG，若非特別聲明，下文中的光纖光柵均指光纖布喇格光柵)。光纖光柵因具有制作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、體積小、抗電磁干擾、使用靈活、易于同光纖集成及可構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于光傳感領(lǐng)域。

經(jīng)過(guò)近十幾年來(lái)的研究，光纖光柵的傳感機(jī)理己基本探明，用于測(cè)量各種物理量的多種結(jié)構(gòu)光纖光柵傳感器己被制作出來(lái)。目前，光纖光柵傳感器可以檢測(cè)的物理量包括溫度、應(yīng)變、應(yīng)力、位移、壓強(qiáng)、扭角、扭知(扭應(yīng)力)、加速度、電流、電壓、磁場(chǎng)、頻率及濃度等。

由于裸的光纖光柵直徑只有 ，在惡劣的工程環(huán)境中容易損傷，只有對(duì)其進(jìn)行保護(hù)性的封裝(如埋入襯底材料中)，才能賦子光纖光柵更穩(wěn)定的性能，延長(zhǎng)其壽命傳感器才能交付使用。同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)封裝的結(jié)構(gòu)，選用不同的封裝材料，可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，應(yīng)力和溫度的增敏等功能，這類“功能型封裝”的研究正逐漸受到重視。

1、 溫度減敏和補(bǔ)償封裝

由于光纖光柵對(duì)應(yīng)力和溫度的交叉敏感性，在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常在應(yīng)力傳感光柵附近串聯(lián)或并聯(lián)一個(gè)參考光柵，用于消除溫度變化的影響。這種方法需要消耗更多的光柵，增加了傳感系統(tǒng)的成本。若用熱膨脹系數(shù)極小且對(duì)溫度不敏感的材料對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝，將很大程度上減小溫度對(duì)應(yīng)力測(cè)量精確性的影響。

另外，采用具有負(fù)溫度系數(shù)的材料進(jìn)行封裝或設(shè)計(jì)反饋式機(jī)構(gòu)，可以對(duì)光纖光柵施加一定應(yīng)力，以補(bǔ)償溫度導(dǎo)致的布喇格波長(zhǎng)的漂移，使 的值趨近于0。對(duì)于封裝的光纖布喇格光柵而言，其波長(zhǎng)漂移 與應(yīng)變 和溫度變化 的關(guān)系式可表示為式(1),基于彈性襯底材料的光纖光柵溫度補(bǔ)償關(guān)系，實(shí)驗(yàn)表明，采用負(fù)溫度系數(shù)的材料對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝，可以在0-100 ℃溫度區(qū)獲得波長(zhǎng)變化僅為0.08nm的溫度補(bǔ)償效果。

2、應(yīng)力和溫度的增敏封裝

光纖布喇格光柵的溫度和應(yīng)變靈敏度很低，靈敏度系數(shù)分別約為0。01 nm/℃和 ，難以直接應(yīng)用于溫度和應(yīng)力的測(cè)量中。對(duì)光纖光柵進(jìn)行增敏性封裝，可實(shí)現(xiàn)微小應(yīng)變和溫度變化量的“放大”，從而提高測(cè)量精度，同時(shí)，亦使傳感器的測(cè)量范圍得以擴(kuò)展。

2.1溫度增敏封裝

選用大熱膨脹系數(shù)材料 作為襯底材料，可設(shè)計(jì)出不同類型的溫度增敏傳感器。研究表明，選用有機(jī)材料、金屬或合金等材料可以較大地提高光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)，如用一種熱膨脹系數(shù)很大的混合聚合物對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝，在 ℃范圍內(nèi)可將光纖光柵的溫度靈敏度提高11.2倍。

2.2應(yīng)力增敏封裝

用楊氏模量較小的材料對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝后將傳感頭置于應(yīng)力場(chǎng)中，由于基底材料與光柵緊密粘接，產(chǎn)生較大應(yīng)變的基底材料將對(duì)光柵產(chǎn)生帶動(dòng)作用，增加光柵的軸向應(yīng)變，從而增加布喇格波長(zhǎng)的漂移量，使光纖光柵傳感器具有更大的應(yīng)力靈敏度。

3、其它功能型封裝

通過(guò)設(shè)計(jì)不同的封裝方式和外場(chǎng)施加方式，可以使光纖光柵實(shí)現(xiàn)更多的功能。將光纖光柵分段嵌入兩種不同的基底材料中，由于兩段光柵將具有不同的應(yīng)力和溫度靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的同時(shí)測(cè)量，從而解決了應(yīng)力溫度的交叉敏感問(wèn)題;如果基底材料的橫截而積沿光纖方向呈梯度分布，對(duì)基底施加軸向應(yīng)力時(shí)，光柵將受到應(yīng)力梯度的作用，光纖布喇格光柵轉(zhuǎn)化可調(diào)諧啁啾光柵，此裝置有望應(yīng)用于光纖的色散補(bǔ)償中。