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 (4)
1.1 光纤光栅传感器封装技术概述 (4)
2、光纤光栅传感原理 (5)
2.1光纤光栅传感器的结构和原理 (5)
2.2光纤光栅传感技术的类型简介 (6)
3.光纤光栅传感器封装技术分类 (7)
3.1保护性封装 (7)
3.2 敏化封装 (8)
3.3补偿性封装 (8)
4.封装技术实例 (9)
4.1光纤光栅温度传感器抗应变串扰封装 (9)
4.2Polyimide（聚酰亚胺）光纤光栅温度传感器的封装 (12)
4.3镀铜光纤光栅的全金属封装 (13)
参考文献 (16)
1、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，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：
λB=2n effΛ
式中，λB为光纤布拉格光栅的中心反射波长或谐振波长，n eff为光纤纤芯对
自由空间中心波长的有效折射率，Λ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:
?λB=2 Λen eff
+n eff
eΛ
?T+2 Λ
en eff
+n eff
eΛ
?l
?T为温度变化量，?l为FBG的长度变化量，?Λ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3mmx3mm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。这样，解调出双峰的距离，就可以求得压力的大小，从结构上剔除了温度的干扰。这种结构设计巧妙，但距离实用还有一段距离。
4.封装技术实例
4.1光纤光栅温度传感器抗应变串扰封装
传感器的结构设计要能够便于实际的工程安装，尽量避免安装环境的差异导致传感器特性的改变，如外界应力作用于传感器导致光纤光栅的波长漂移、反射率下降等负面影响。同时要确保正常的现场施工不会对传感器和连的光缆造成严重破坏，要能够保证信号的正常采集与传输。
传感器的寿命与传感器的应用环境直接相关，高温环境将大幅度地缩减传感器的寿命。因此，在确保传感元件自身寿命的前提上，要尽量减小因封装技术给传感器寿命带来的负面影响。封装高温光纤光栅传感器的各种材料都要能够承受高温环境的长期考验，尤其需重视胶水的高温稳定性。
4.1.1封装结构的设计
抗应变串扰的光纤光栅温度传感器封装结构横切面和俯视图分别为图4-1
和4-2所示:图中所示圆柱体为中间留有细小空隙(0.3mm左右)的圆柱体不锈钢管，将光纤光栅放入圆柱体中间，通过玻璃焊料或者粘结剂将光栅尾纤焊接固定在半圆柱不锈钢管上，两焊接点之间的光纤稍微弯曲，从而起到消除外力影响，实现抗应变串扰的结构设计。
图4-1光纤光栅温度传感器封装结构横切面
图4-2光纤光栅温度传感器封装结构俯视图
光纤光栅温度传感器中的玻璃焊料是用于实现光纤器件的高可靠性封接，封接工艺中可直接将金属管套与光纤密封，无需将光纤表面金属化，并改良其抗老化性，防飞溅和抗腐蚀性，可以取代传统的封装工艺。
焊接方式：将光纤光栅尾纤穿入玻璃焊料中，然后再将玻璃焊料放入半圆柱的不锈钢管中，通过加热半圆柱不锈钢管底部，加热至320 ℃-375 ℃左右时玻
璃焊料会熔化并将光栅尾纤和半圆柱不锈钢管粘接在一起。
加热方式：加热方式一般分为高频感应加热、电阻加热、激光加热等。高频感应加热方式是最常用的加热方式，此方法具有快捷、局部加热套圈或管子的优点。只要套圈或者管子是金属材料就可以通过高频感应加热方式来实现加热。电阻加热采用电极加热元件，此方式可进行局部加热，但部件需是导热的材料。激光加热的优点是加热面积比较小，可实现精确控制，缺点是加热区域以及激光功率不好调节和固定。本人熔化玻璃焊料的方式是通过大功率的电烙铁加热来实现。此加热方式具有加热时间短、操作方便、加热成本低的优点，缺点是加热部件要比较小并且金属部件结构要方便与玻璃焊料结合。
4.1.2光纤光栅温度传感器抗应变串扰封装过程
将光纤光栅穿入图4-1所示的长度为6.0cm，外径为3.0mm，内径为0.5mm的圆柱体内，通过玻璃焊料或者粘结剂将光纤光栅尾纤焊接固定在半圆柱内不锈钢管上，两固定点之间的光纤稍微弯曲，从而起到消除外力影响的作用;然后将内径为250um，外径为900um的松套管套入光纤光栅尾纤中，再用紫外胶将松套管粘接在图3-1所示的半圆柱体不锈钢管上;然后将上述结构放入长度为12.0cm,内径为3.45mm，外径为4.0~的外不锈钢管中间，再将接头处涂有耐温胶的外径为3.3mm的耐温光缆插入到不锈钢管中直至顶到半圆柱内不锈钢管，最后用压接钳将上述外不锈钢管进行压接并用外径为6.0mm的热缩管将压接接头热缩保护。
上述封装过程所用的封装工具如下:切割外不锈钢管所用工具为钢管切管器，加热玻璃焊料的工具为功率为60W的电烙铁，固化紫外胶的工具为紫外灯，压接不锈钢管的为六角压接钳。
4.1.3封装后光纤光栅温度传感器的温度特性
封装完光纤光栅温度传感器后对传感器进行测试，分别使用玻璃焊料封装和紫外胶封装的两种光纤光栅温度传感器进行温度条件相同的加热对比实验。我们首先将封装好的两个温度传感器放入高温炉中进行加热，然后测试温度传感器的线性度、重复性、稳定性。
图4-3玻璃焊料封装的光纤光栅温度传感器-40-300度之问温度响应曲线图
图4-4紫外胶封装的光纤光栅温度传感器-40-300度之问温度响应曲线图通过分析图4-3和图4-4，我们可以看出玻璃焊料封装的温度传感器-40-300度之间线性度为0.9996，线性度良好。而紫外胶封装的温度传感器在-40-240度之间线性度良好，其在-40-300度之间的整体线性度为0.992，此温度传感器在250度以后线性度不好。因此，紫外胶封装的温度传感器适合在240度以下使用，而高于240度后就只能采用玻璃焊料封装的温度传感器。
图4-5玻璃焊料封装的光纤光栅温度传感器的稳定性曲线
图4-6紫外胶封装的光纤光栅温度传感器的稳定性曲线
通过分析图4-5图4-6，可知道焊料封装的光纤光栅温度传感器的中心波长变化幅度为25pm左右，而紫外胶封装的光纤光栅温度传感器的中心波长变化幅度50pm左右。可以说明焊料封装的光纤光栅温度传感器长期工作稳定性要优于紫外胶封装的光纤光栅温度传感器。
4.2Polyimide（聚酰亚胺）光纤光栅温度传感器的封装
4.2.1封装结构的设计
（1）金属封装结构a如图4-7所示，高温光纤光栅保护于毛细玻璃管中，一端用高温胶水固定另一段自由松弛在玻璃管内，该结构可以使光纤光栅有效地屏蔽外界应变的影响。在光纤光栅和毛细玻璃管之间可以填充高温导热油来提高传感器的热传导速度。采用了卡环和保护弹簧一起来固定和保护接头处的光缆;其优点是现场安装方便、灵活。采用单端出缆技术，结合星型拓扑结构布置测温点的方法可以在狭小空间内进行安装测试，以降低传感器对被测环境的影响。主要用于狭小空间的石油化工场所以及某些缸体、油管、汽管等狭小空间工业设备的测温。
图4-7金属封装光纤光栅温度传感的封装设计图a
(2)金属封装的高温光纤光栅温度传感器b，其结构设计如图4-8所示,
图4-8金属封装的高温光纤光栅温度传感器b
首先，该封装结构包括外部保护管与内部支架两部分，其尺寸要求是内部支架恰
好与保护管的内壁接触，相互之间不会产生较大的应力作用。当外界应力使金属保护管产生应变时，只有小部分应力作用于内部固定支架，通过这样的封装结构可以有效的降低环境对传感元件的应变传递。其次将高温光纤光栅两侧的尾纤用高温胶水固定在内部支架上，使得中间栅区处于松弛状态。当外界应变向传感器内部传递时，即内部支架产生应变(伸长或缩短)，中间松弛的栅区可以通过调整微小的角度来屏蔽外界较大的应变影响。可以通过串连和波长编码来进行数个传感器的同时监测，有效的缩短了光缆的使用量。
（3）陶瓷封装的高温光纤光栅温度传感器，其结构设计如图4-9
图4-9陶瓷封装的高温光纤光栅温度传感器的结构设计图采用陶瓷外壳保护内部传感元件，内部毛细玻璃管主要是固定光栅尾纤。当外界应力作用于陶瓷外壳时，陶瓷外壳将会产生一定的形变，玻璃毛细管和卡环之间的尾纤将会自动调整长度，使毛细管无应变产生。其次，玻璃毛细管和光纤光栅有着基本相同的热膨胀系数，在温度发生变化的过程中，玻璃毛细管与光纤光栅之间不会产生额外的应力。陶瓷封装的高温光纤光栅温度传感器具有高绝缘性能，可用于强电场、强磁场的电力场所(发电厂和变电站等)的温度监测。
4.2.2封装工艺
首先，将粘胶处的光纤涂覆层剥去，由于高温将烧毁光纤涂覆层，会使烧毁的涂覆层杂质介于光纤包层和胶水之间，导致光纤和胶水产生挪动，最终减弱传感器对外界应变的屏蔽能力。胶粘技术可以广泛地用于以上三种封装结构。高温胶水的寿命直接影响传感器的使用寿命，胶水的老化、脆化等不良影响将降低传感器的可靠性和重复性。为了提高传感器的使用寿命可以采用金属焊接法对光纤光栅的尾纤进行固定，仅适用于金属封装的温度传感器b的结构。
4.3镀铜光纤光栅的全金属封装
4.3.1光纤的金属化工艺
（1）去涂覆层
化学的方法用有机溶剂溶解光纤表面的涂覆层。常用的有机溶剂包括丙酮，含氯烷烃和酮的混合溶剂以及二氯甲烷溶液。其中，二氯甲烷溶液效果不错。（2）磁控溅射
在溅射系统中，阴极一般是靶材，载能粒子是气体，在高电压和高真空的作用下，使溅射气体发生电离，从而产生带正电的载能粒子，在电场的作用下加速轰击靶材，这样靶材的原子或分子就会被轰击出来并沉积在基片上，这就是溅射成膜的基本原理。
磁控溅射镀膜的流程如图4-10所示，要小心将光纤光栅固定在镀膜的夹具上，将尾纤用锡纸包住。
图4-10磁控溅射镀膜的流程
本次镀膜的目的是为了使光纤光栅导电，以方便下一步的电镀，此次镀银的厚度在100-200nm即可。将夹具取出来，将镀膜后的光纤光栅取下来，经整理后存放。要尽量快的对镀膜后的光纤光栅进行电镀，以免其表面氧化和沾上油污等影响后面的电镀。
（3）电镀
电镀过程，就是将镀层金属作为阳极，将被镀件(导电的)作为阴极，在
一定的直流电流的作用下，使电解质溶液中的金属离子得到电子被还原，不断的沉积在阴极被镀件表面的过程。电镀是一种电化学方法，是一种在电解质溶液中进行的氧化还原反应。当电路接通时，与电源正极相连的阳极失去电子发生氧化反应，与电源负极相连的阴极得到电子发生还原反应。
本文采用的酸性硫酸盐电镀铜的方案。在电镀的过程中，主要发生的反应是
在阴极上，溶液中的CU2+得到电子还原为铜，沉积在镀过铜的光纤光栅的表面。其反应式为:
酸性硫酸盐电镀铜原理图如图4-11，装接阴极和阳极，在直流源的正极接一根小铜棒，负极先接铜丝试镀，若铜丝表面有新的铜层出现则证明一切正常可以对光纤光栅电镀了。将磁控溅射过银层并处理过的光纤光栅接在直流源的负极，打-开电源，就可以对光纤光栅进行电镀了。
图4-11 酸性硫酸盐电镀铜原理图
4.3.2全金属封装
激光焊接就是利用高辐射强度的激光束经过光学聚焦后，使激光焦点的功率密度在104-107W/cm2，将加工工件放在激光焦点附件就可以加热熔化实现焊接。激光焊接的参数包括:激光的功率密度，峰值功率和激光的作用时间。
将镀钢的光纤光栅和不锈钢片通过特制的夹具固定。要保证光纤光栅和
不诱钢片紧密接触，光纤光栅要保持平直并施加一定的预应力。
将夹具放在激光焊接机的支架上，打开电子显微镜，边观察边调节夹具
的位置，使激光束正好打在焊缝的位置。
打开稀有气体的喷头对焊缝进行保护，打开激光焊接机即可进行激光焊接。通过电子显微镜的观察来控制焊接的位置和长度，焊接到合适的长度后停止焊接。焊接结束后将夹具取下来，焊接另一边的焊缝，方法同上。焊接封装后的结构如图4-12，
图4-12镀铜光纤光栅的全金属封装
图4-13 全金属封装光纤光栅温度传感器应变曲线图
参考文献
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光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监 测中的应用 姓名：朱少波 学号：U201115536 班级：电气中英1101班 2015年1月23日星期五
摘要：作为20世纪测试领域的重大发明，光纤光栅传感技术得到了快速发展，并已经成 为诸多领域的前沿研究与应用方向。本文主要介绍了相关产业化企业近年来基于光纤光栅感知元件发展起来的系列传感器、部品、重大土木工程结构健康监测的应用以及项目研究与产业化状况。主要包括：光纤光栅系列直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品（结构）与结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统及其在大型桥梁结构健康监测中的应用。最后，介绍了课题组与相关企业在该方向的项目研究、国际合作与产业化情况，并指出该方向的主要研究与应用方向。 关键词：光纤光栅传感器，桥梁结构，健康监测 1.引言 重大桥梁工程结构的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，对重大桥梁工程结构增设长期的健康监测系统，以监测结构的服役安全状况，并为验证结构设计、施工控制以及研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的手段，并实时监测其服役期间的安全状况、避免重大事故的发生。结构健康监测已经成为世界范围内重大桥梁结构工程的前沿研究方向。 然而，重大桥梁工程结构和基础设施体积大、跨度长、分布面积大，使用期限长，传统的电学量传感设备组成的长期监测系统性能稳定性、耐久性和分布范围都不能很好地满足实际工程需要。随着智能感知材料的发展,高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径，尤其是以光纤光栅为代表的光纤传感元件的出现与发展，更为这一热点课题提供了广阔的生机。光纤通信技术和光纤传感技术在20世纪后半叶至21世纪初期的几十年里日新月异，极大地推动了人类社会的进步。光纤传感技术随着光通信技术的发展应运而生，尤其是光纤光栅的出现不仅给光纤传感技术，而且给相关领域带来了一次里程碑式的革命[1]，使人们可以设计和制作大量基于光纤光栅的新型智能传感器[2]。与传统的各类传感器相比光纤光栅传感器具有以下优点[3]： 1)抗电磁干扰，电绝缘，本质安全 由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤是电绝缘的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这一特性使其在高压、强电磁干扰、易燃、易爆的环境中能有效的传感。 2)耐腐蚀 由于光纤表面的涂覆层是由高分子材料组成，承受环境或者结构中酸碱等化学成分腐蚀的能力强，适合于结构的长期健康监测。 3)测量精度高 光纤传感器采用波长调制技术，分辨率可达到波长尺度的皮米量级，对应温度监测中0.1℃与应变监测中1με。光测量及波长调制技术使光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。 4)测量对象广泛
光纤光栅传感器及其在土木工程中的发 展应用 摘要：介绍了光纤光栅的传感技术及其封装方式，特别是采用FRP筋嵌入式封装光纤光栅传感器(OFBG)制成的FRPOFBG筋，并对光纤光栅传感器在土木工程监测中的发展应用进行综述，以期促进该技术的推广普及。 关键词：光纤光栅，嵌入式封装，土木工程监测 0、引言
新发展起来的光纤光栅传感技术可通过反射中心波长的变化测量由外界引起的温度、应力应变变化，具有线性程度高、重复性好等优点，可对结构的应力、应变高精度地进行绝对、准分布式数字测量，比较适合结构的健康监测。光纤光栅传感器除了有光纤传感器具有的质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、可分布或者准分布式测量、使用期限内维护费用低等优点外，还具有以下一些独特优点J：如测量精度高，抗干扰能力强，可在同一根光纤上制作多个光栅实现分布式测量，测量范围大，稳定性、重复性好，非传导性材料，耐腐蚀、抗电磁干扰等特点，适合运用于恶劣环境中，避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题。 光纤光栅传感器由于自身的优点在土木工程界得到很大的应用和发展。本文先介绍光纤光栅传感技术及其封装方式，并主要阐述光纤光栅传感器在土木工程领域的一些发展应用情况。 1、光纤光栅的传感技术特点及其封装 1.1 光纤光栅的传感技术特点光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。光纤光栅传感器的基本原理为：光纤光栅可将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射。 1.2 光纤光栅的封装
1)基片式封装。将光纤光栅装在刻有小槽的基片上，通过基片将被测结构的应变传到光栅上，封装结构主要由金属薄片(或树脂薄片)、胶粘剂、护套、尾纤、传输光缆组成。基片式封装包括金属基片封装和树脂基片封装，金属基片有钢片、钛合金片等。 这种传感器结构简单，易于安装，但容易产生应变传递损耗，使得测量精度有所降低。 2)金属管式封装。管式封装应变传感器主要由封装管、光纤光栅、传输光缆、尾纤、胶粘剂组成。该封装工艺具有加工方便、产品率高、成本低廉等优点，可以满足工业化大批量生产需要。 3)夹持式封装。主要思想是在钢管封装的光纤光栅传感器的两端安装夹持构件，待测结构的应变通过夹持构件传递给光纤光栅，其标距长度可根据实际需要改变。此种传感器具有布设简单、可拆换、耐久性好、布线方便等优点，可作为桥梁、建筑等土木工程结构施工、竣工试验和运营监测的表面传感器。 4)嵌人式封装。这里特别介绍FRP-OFBG智能复合筋。FRP筋是采用连续纤维通过拉挤工艺和合成树脂基按照一定的比例胶合而成的一种纤维增强塑料筋，在其制备过程中放人光纤光栅，便可得到FRP-OFBG智能复合筋。该复合筋目前研究得比较多，它保留了FRP良好的力学等性能，又具备光纤光栅的传感特性，而且大大提高了光纤光栅的应变测量量程，是光栅传感器较好的一
光纤光栅传感器的应用 一、光纤光栅传感器的优势 与传统的传感器相比,光纤Bragg光栅传感器具有自己独特的优点: (1) 传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变, 适合埋入大型结构中, 可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等, 稳定性、重复性好; (2) 与光纤之间存在天然的兼容性, 易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高; (3) 具有非传导性, 对被测介质影响小, 又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点, 适合在恶劣环境中工作; (4) 轻巧柔软, 可以在一根光纤中写入多个光栅, 构成传感阵列, 与波分复用和时分复用系统相结合, 实现分布式传感; (5) 测量信息是波长编码的, 所以, 光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响, 有较强的抗干扰能力; (6) 高灵敏度、高分辩力。 正是由于具有这么多的优点,近年来,光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测,以及能源化工等领域得到了广泛的应用。 光纤Bragg光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为监测材料和结构的载荷，探测其损伤的传感器。 二、光纤光栅的传感应用 1、土木及水利工程中的应用 土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。 力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的.通过测量上述结构的应变分布,可以预知结构局部的载荷及健康状况.。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等,以监视结构的缺陷情况.。
光纤光栅传感器原理及应用 （武汉理工大学） 1光纤光栅传感原理 光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。 图1 FBG 结构及其波长选择原理图 在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。 （1）光纤光栅应变传感原理 光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。 （2）光纤光栅温度传感原理 光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。 反射光谱 入射光谱 投射光谱 入射光 反射光 投射光 包层 纤芯 光栅 光栅周期
2光纤光栅传感器特点 利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。 光纤光栅传感器可测物理量： 温度、应力/应变、压力、流量、位移等。 图2 光纤光栅传感器分布式测量原理 光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰 ● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上 3目前我校已经开展的工作（部分） 3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统 利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。 被测参量 宽带光源 光纤F-P 腔 测点1 测点2 测点3 测点n 波长 光 强 λ1 测点1 λ2 测点2 λ3 测点3 λn 测点n 光源波长
光纤光栅传感器的应用 光纤布拉格光栅传感器的应用 1。光纤光栅传感器 的优点与传统传感器相比，光纤光栅传感器有其独特的优点:(1)传感头结构简单，体积小，重量轻，形状可变，适合嵌入大型结构中，能够测量结构内部的应力、应变和结构损伤，具有良好的稳定性和重复性； (2)与光纤自然兼容，易于与光纤连接，损耗低，光谱特性好，可靠性高； (3)不导电，对被测介质影响小，具有耐腐蚀和抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境下工作； (4)轻便灵活，可在一根光纤中写入多个光栅组成传感阵列，结合波分复用和时分复用系统实现分布式传感； (5)测量信息为波长编码，因此光纤光栅传感器不受光源光强波动、光纤连接和耦合损耗以及光波偏振态变化的影响，抗干扰能力强。 (6)高灵敏度和分辨率 正是因为它的许多优点。近年来，光纤光栅传感器已经广泛应用于大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测，以及能源和化工等领域。 光纤光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，特别是在测量应力和应变的情况下，具有其他传感器无法比拟的优势。它被认为是智能结构中最有前途的集成在材料内部的传感器，作为监测材料和结构的
载荷和检测其损伤的传感器。 2，光纤光栅的传感应用 1，在土木和水利工程中的应用 土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域 力学参数的测量对于桥梁、矿山、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康监测非常重要。通过测量上述结构的应变分布，可以预测结构的局部载荷和健康状况。光纤布拉格光栅传感器可以预先附着在结构表面或嵌入结构中，同时对结构进行健康检测、冲击检测、形状控制和减振检测，监测结构的缺陷。 另外，多个光纤光栅传感器可以串联成传感网络，对结构进行准分布式检测，传感信号可以由计算机远程控制 (1)在桥梁安全监测中的应用目前，光纤光栅传感器应用最广泛的领域是桥梁安全监测 斜拉桥的斜拉索、悬索桥的主缆和吊杆、系杆拱桥的系杆是这些桥梁体系的关键受力构件，其他土木工程结构的预应力锚固系统，如用于结构加固的锚索和锚杆，也是关键受力构件上述受力构件的应力大小和分布变化最直接地反映了结构的健康状况，因此监测这些构件的应力状态并以此为基础进行安全分析和评价具有重要意义。加拿大卡尔加里附近的 199贝丁顿小道桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993)。16个光纤光栅传感器连接到预应力混凝土支撑的钢筋和碳纤维复合材料钢筋上，对桥梁结构进行长期监测，这在以前被认为是不
摘要 关键词：光纤传感器；介绍；优点；应用 近几年来，物联网发展飞快。光纤通信与光纤传感技术将在物联网领域发挥重要作用。光纤具有宽带特性，可将各种传感器复用到一根光纤，进行检测和传输。由于光纤本身具有电绝缘性好、不受电磁干扰、无火花、能在易燃易爆的环境中，还具有成本低、结构简单、可靠性高等优点，光纤材料用做传感器具有独特的优势。物联网与光纤传感有相辅相成、相互促进的作用。各种光纤传感器有望在物联网中得到广泛应用。 ABSTRACT The Internet of things develop quickly in recent years.Optical fiber communication and optical fiber sensing technology will play an important role in the field of Internet of things.Optical fiber have broadband characteristics, various sensors can be reused to a single fiber to text and transport.Because of the fiber’s good electrical insulation, not subject to electromagnetic interference, no spark, can in inflammable and explosive environment ,also has the advantages of low cost, simple structure, high reliability ,optical fiber materials used for sensor has a unique advantage.The Internet of things with the optical fiber sensing supplement each other and promote each other. All kinds of optical fiber sensor is expected to be widely used in the Internet of things. Keywords：Optical fiber grating sensor; Introduction; Advantages; application
“现代传感与检测技术”课程学习汇报 光纤光栅传感器及其在医学上的应用 学院：机电学院 专业：仪器科学与技术 教师：刘增华 学号： S201201134 姓名：王锦 2013年03月
目录 第一章光纤光栅简介 (3) 1.1 光纤的基本概念 (3) 1.2 光纤光栅器件的基本概念 (3) 1.3 光纤光栅的加工工艺 (4) 1.4 光纤光栅的类型 (5) 第二章光纤光栅传感器 (7) 2.1光纤光栅温度传感器 (7) 2.2 光纤光栅应变与位移传感器以及振动与加速度传感器 (8) 第三章光纤光栅传感器的应用 (10) 3.1 光纤光栅传感器在结构健康测试方面的应用 (10) 3.2光纤光栅传感器在医学中的应用 (10) 3.3 光纤光栅在其他领域的应用 (11) 第四章总结 (12) 参考文献 (12)
第一章光纤光栅简介 1.1 光纤的基本概念 光纤的结构十分简单。光纤的纤芯是有折射率比周围包层略高的光学材料制作而成的，折射率的差异引起全内反射，引导光线在纤芯内传播。 光纤纤芯和包层的尺寸根据不同的用途，有多中类型。如传输图像的光纤要尽可能地收集到起端面上的光，因此其包层相对于纤芯而言非常薄。长距离传输过程中，通信光纤的厚半层能避免光束泄露出纤芯。然而，短距离通信光纤的纤芯较大，能够尽可能地手机光，一般称为多模光纤，长距离通信光纤的纤芯直径 一边比较小，一般只能传输一个模式，因此成为单模光纤。 光纤具有机械特性和光学特性。在机械方面光纤坚硬而又灵活，机械强度大。光纤的光学特性取决于他们的结构与成分。一般轴对称的单模光纤可以同时传输两个线偏振正交模式或者两个圆偏振正交模式。这两个正交模式在光纤中将以相同的速度向前传播，因而在其传播过程中偏振态不会发生变化。 1.2 光纤光栅器件的基本概念 加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人于1978年首次在掺锗石英光纤中发现光线的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅。光纤光栅是近几年发展最快夫人光纤无源器件之一，他的出现将可能在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命。由于它具有在管线通信、光纤传感、光计算和光信息处理等领域均具有广阔的应用前景。 光纤光栅是利用光线材料的光敏性（外界入射光子和纤芯锗离子相互作用in 器折射率永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或者反射）滤波或者反射镜。利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源器件，例如利用光纤光栅的窄带高反射特性构成光纤反馈腔，依靠掺铒光纤等为增益介质可制成光纤激光器；利用光纤光栅作为激光二极管的外腔反射器，可以构成课调谐激光二极管；利用光纤光栅课构成Michelson干涉仪型Mach-Zehnder干涉仪和Febry-Peort干涉仪型的光纤色散补偿器。利用闪耀光栅可以制成光纤平坦滤波器；利用非均匀光纤光栅还可以制成用于检测应力、应变、温度等诸多参量的光纤传感器和各种传感网。
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125m μ，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/λλ?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λ?与应变ε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 ()1 s e a a a T p ξε++-=?- （1） 式中：(1/)(/)n dn dT ξ=；(1/)(/)e p n dn d ε=-；(1/)(/)a 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2 1.1310-?nm/℃和31.210/nm με-?，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[(1)()]e s a p a a T λλξ?=++--? （2）
常见光纤光栅传感器工作原理 光纤光栅传感器的工作原理 光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1） 式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。 1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理 上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。 啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。 2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理 长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的
光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。Λ。式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LPG适用于多参数传感器。 光纤光栅传感器的应用 1、在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。 两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里－珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里－珀罗干涉仪（FFH），利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP～FBG实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已在5mε的测量范围内，实现了小于1με的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1nε/（Hz）1/2的动态应变灵敏度。
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.及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 (44) 1.1 光纤光栅传感器封装技术概述 (44) 2、光纤光栅传感原理 (55) 2.1光纤光栅传感器的结构和原理 (55) 2.2光纤光栅传感技术的类型简介 (66) 3.光纤光栅传感器封装技术分类 (77) 3.1保护性封装 (77) 3.2 敏化封装 (88) 3.3补偿性封装 (88) 4.封装技术实例 (99) 4.1光纤光栅温度传感器抗应变串扰封装 (99) 4.2Polyimide（聚酰亚胺）光纤光栅温度传感器的封装 (1212) 4.3镀铜光纤光栅的全金属封装 (1313) 参考文献 (1616)
1、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、可及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）谱波长及光栅纤芯的有效折射率及折射率调制周期密切相关。当外界应变及温度发生变化时,光纤光栅的纤芯折射率及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，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,设计更好的封装结构和工艺尤为重要.
光纤光栅传感器的应用及发展 光纤光栅自从问世以来，就以其优良特性成为传感领域的新亮点。简要回顾了光纤光栅的 发展历史，介绍了光纤光栅的分类，着重论述了光纤光栅传感器的应用情况，分析了光纤光栅 传感器的未来发展趋势及面临的问题。 光纤光栅的分类： 光纤光栅是光纤导波介质中物理结构呈周期性分布的一种光子器件。根据物理机制的不同，可将光纤 光栅分为蚀刻光栅和折射率调制的相位光栅两类。前者在成栅过程中使光纤的结构出现明显的物理刻痕， 后者主要使纤芯折射率呈周期性分布。目前，无论是发还是工程实用，后者均占主导地位。因此，通常所说的光纤光栅 指的是后者。根据光敏机制的不同，又可将光纤光栅分为I型、Ⅱ型和Ⅲ型. I型先纤光栅 连续或者能量较弱的多个脉冲光波在光敏光纤中形成的传统意义上的光折变光栅被称之为I型光栅 Ⅱ型光纤光栅 采用单脉冲成栅时发现，不断提高脉冲能量存在一个取决于光纤中锗浓度的阈值(～1J／cm)，低于该 阈值时形成的光栅均为I型光栅，而高于该阈值时写入光栅的调制度变得非常大，反射率接近100％，将 此时的光栅称为Ⅱ型光栅。Ⅲ型光纤光栅区别于I型光栅的是，随着曝光量的增加，折射率呈负增长趋势，显然也不属于Ⅱ型光栅，因此称之为Ⅲ型光栅。根据折射率变化是否均匀，可以将其分为均匀光纤光 栅和非均匀光纤光栅两类。 1)均匀光纤光栅 指栅格周期沿纤芯轴向均匀且折射率调制深度为常数的一类光纤光栅。从栅格周期的长短及波矢方向的差异等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有光纤布喇格光栅(rBG)、长周期光纤光栅(LPG)闪烁光纤光栅刮等. 2)非均匀光纤光栅 指栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常数的一类光纤光栅。从栅格周期的长短及折射率调制深度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有线性啁啾光纤光栅、分段啁啾光纤光栅和非均匀特种光纤光栅等。 光纤光栅传感器的应用与发展： 1978年，加拿大的Hill等人首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生光的效应J，制成了世界上第一只被称为“Hill光栅”的光纤光栅。1989年，美国的Meltz等人发明了紫外光侧面写入光敏光栅的技术，为光纤光栅实用化开辟了一条可行的道路。1993年，Hill等人提出了相位掩模写人技术，极大地放宽了对写入光源相干性的要求，使得光纤光栅的制作更加灵活并使光栅的批量生产成为可能。此后，世界各国迅速开展了对光纤光栅及其应用的研究。光纤光栅的写入技术及光纤光敏化技术不断取得新的进展，其制作技术也不断提高和完善。而光纤光栅独有的抗电磁干扰、高灵敏度和复用技术等优势也逐渐显现出来。自从1989年美国的Morey等人首次报导光纤光栅用于传感以来，光纤光栅传感技术引起了人们极大的兴趣并得到飞速发展，被广泛用于温度、应变、压力、加速度、超声波、振动、电磁场和折射率等多种物理量的测量，其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。目前，FBG为传感器件的传感器成为研发主流，以LPG和啁啾光纤光栅CFG)为传感器件的传感器的研究同样引起人们的兴趣。在土木工程中，对于桥梁大坝、隧道矿井和大型建筑物等来说，其结构会随着时间的推移或者外界环境的改变而变化。因此，需要通过测量结构的应变分布和局部载荷状态来确保其结构健康并安全运行。光纤光栅传感器尺寸小，既可以贴在现存工程结构的表面，也可以在浇筑时埋入结构中。多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式实时监测。1993年，加拿大卡尔加里附近的BeddingtonTrail大桥首先采用了光纤光栅进行应力测量，并用此方法长期监测桥梁结构。此后，国外发达国家也都选用光纤光栅传感器作为桥梁长期安全监测的首选技术。1999年，美国新墨西哥Las Cruces10号州际高速公路的一座钢结构桥梁上安装了120个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器数量最多的纪录。在我国，近几年来，随着国家对安全生产问题的高度重视，大型建筑物安全监测与预警的意义和作用也逐步受到人们的重视。武汉理工大学将光纤光栅传感器引入桥梁长期安全监测预警系统中，解决了传统电测手段无法长期稳定监测的问题，并应用于武汉阳逻长江大桥、武汉长江二桥等十余座大型桥梁的长期安全监测，取得了非常好的效果。哈尔滨工业大学采用光纤光栅传感器完成了lO余项重大工程的健康监测。此外，南开大学与上海紫珊光电技术有限公司合作，在世博场馆大空间结构安全保障关键技术项目中采用光纤光栅传感器进行健康监测J。这些领域开展的实验测试和实际应用为我国桥梁大坝、隧道矿井及大型建筑物的长期安全监测与预警提供了典范。先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，质量轻，可以减轻船体或航天器的重量，已经越来越多地被用于制造高速航空航海工具。在复合材料结构的制造过程中埋入光纤光栅传感器，可以在飞行器或舰船运行过程中进行实时健康监测和损伤探测J。自从光纤光栅传感器于1990年次埋人环氧树脂复合材料以及1992年首次埋人混凝土中以来，光纤光栅在航空航天复合材料／结构的健康监测中开始试用。将光纤光栅粘贴于航空航天飞行器(如机身、机翼蒙皮)及发射塔表面或者埋人其内部，可构成分布式智能传感网络，实时监测飞行器及发塔的应力、应变、温度及其结构内部损伤等健康状况. 根据测结果，由驱动元件对结构状态进行相
光纤光栅传感器的封装设计 一、高温光纤光栅温度传感器的封装设计 1.实用化高温光纤光栅温度传感器的设计要求 a.高温光纤光栅的自身要求 高温光纤光栅在高温环境下进行长期工作时，要求其反射率不会发生大幅度的衰减。 b.应用环境的要求 传感器的结构设计要能够便于实际的工程安装，尽量避免安装环境的差异导致传感器特性的改变，如外界应力作用于传感器导致光纤光栅的波长漂移、反射率下降等负面影响。同时要确保正常的现场施工不会对传感器和连接的光缆造成严重破坏，要能够保证信号的正常采集与传输。 c.使用寿命的要求 传感器的寿命与传感器的应用环境直接相关，高温环境将大幅度地缩减传感器的寿命。因此，在确保传感元件自身寿命的前提上，要尽量减小因封装技术给传感器寿命带来的负面影响。封装高温光纤光栅传感器的各种材料都要能够承受高温环境的长期考验，尤其需重视胶水的高温稳定性。 2.实用化高温光纤光栅温度传感器的设计思路 高温光纤光栅温度传感器的封装工作主要分为：材料的选择、封装结构的设计、相关的封装工艺。 a.材料的选择 在选择封装材料时，要确保他们在高温环境下的稳定性。 1）胶水的选择 Fireplace Sealant ST-1260 是一种单组份中性结构胶，具有防火阻燃、抗位移、高强度等优良特性。对玻璃、金属、陶瓷等有良好的粘附力，其邵氏硬度为60A，拉伸强度为8 MPa，良好的抗UV 性，防火阻燃等级达UL94-V0 级，温度工作范围从-40°C 到1260°C。因此，Fireplace Sealant ST-1260 胶可以用于光纤光栅尾纤的固定以及传感器的密封。 托马斯耐高温胶（THO4098）是一种单组份粘稠高温胶水，低温加热固化型，固化后表面平整、光洁、无气泡，可用于光纤光栅两侧尾纤的固定。其温度工作范围为-66~460°C，粘接强度高，韧性好、抗冲击等。适应范围广，耐高温、压
光纤光栅传感器实验 一、实验目的 1. 了解和掌握光纤光栅的基本特性； 2. 了解和掌握光纤光栅传感器的基本结构、基本原理； 3. 光纤光栅传感测量的基本方法和原理。 二、实验原理 光纤光栅是近年来问世的一种特殊形式的光纤芯内波导型光栅，它具有极为 丰富的频谱特性，在光纤传感、光纤通信等高新技术领域已经展示出极为重要的 应用。特别是在用于光纤传感时，由于其传感机构（光栅）在光纤内部，且它属 于波长编码类型，不同于普通光纤传感的强度型，因而具有其他技术无法与之相 比的一系列优异特性，如防爆、抗电干扰、抗辐射、抗腐蚀、耐高温、寿命长、 可防光强变化对测量结果的影响、体积小、重量轻、灵活方便，特别能在恶劣环 境下使用。光纤光栅传感器可集信息的传感与信息的传输于一体，它极易促成光 纤系统的全光纤化、微型化、集成化以及网络化等等，因此光纤光栅传感技术一 经提出，便很快受到青睐，并作为一门新兴传感技术迅猛崛起。 1. 光纤光栅及其基本特性 光纤光栅的基本结构如图1－1所示。它是利用光纤材料的光折变效应，用 紫外激光向光纤纤芯内由侧面写入,形成折射率周期变化的光栅结构，这种光栅 称之为布喇格（Bragg ）光纤光栅。 这种折射率周期变化的Bragg 光纤光栅满足下面相位匹配条件时，入射光将 被反射： Λ=eff B n 2λ (1) 式中B λ 为Bragg 波长（即光栅的反射波长）， 为光栅周期，eff n 为光纤材料的有效折射率。如果光纤光栅的长度为L ,由耦合波方程可以计算出反射率R 为： 附图1－1 光纤光栅示意图 布喇格光纤光栅 纤芯 入射光 反射光 光纤包层
()R A A sL s sL sL r i ==+002222222()sinh cosh (/)sinh *κκβ? 图1－2 显示了两条不同反射率的布喇格光纤光栅反射谱，附图1－3为实际的 一个布喇格光纤光栅反射谱和透射谱。 其峰值反射率m R 为: ????????Λ?=eff m n nL R 2tanh 2 π (2) 反射的半值全宽度（FWHM ）,即反射谱的线宽值 2 2???? ???+??? ??Λ=?eff B B n n L λλ (3) （1）式中，,eff n Λ是温度T 和轴向应变ε的函数，因此布喇格波长的相对变化量 可以写成： /()(1)B a T Pe λλξε=++- (4) 其中a 、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，；Pe 是有效光弹系数，大 约为0.22。应变ε可以是很多物理量（如，压力、形变、位移、电流、电压、振 动、速度、加速度、流量等等）的函数，应用光纤光栅可以制造出不同用途的传 感头，测量光栅波长的变化就可以计算出待测物理量的变化，所以（4）式是光 栅传感的基本方程。 SGQ-1型光纤光栅传感实验仪是我公司设计的系列实验设备之一。通过本实 验仪的相关实验使学生了解和掌握光纤光栅的基本特性、光纤光栅传感器的基本 附图1－2 曲线κL =2和κL =5的反射谱 附图1－3 布喇格光纤光栅透射
光纤传感实验报告 1、基础理论 1.1 光纤光栅温度传感器原理 1.1.1 光纤光栅温度传感原理 光纤光栅的反射或者透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，而外 界温度的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或 透射峰波长的变化，这是光纤光栅温度传感器的基本工作原理。 光纤 Bragg 光栅传感是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射Bragg 波长光谱的检测,实现被测结构的应变和温度的绝对测量。由耦合模理论可知,光纤光栅的Bragg 中心波长为 式中Λ为光栅的周期 ;neff 为纤芯的有效折射率。外界温度对 Bragg 波长的影响是由热膨胀效 应和热光效应引起的。由公式 (1)可知 ,Bragg 波长是随和而改变的。当光栅所处的外界环境 发生变化时 ,可能导致光纤光栅本身的温度发生变化。由于光纤材料的热光效应,光栅的折射率会发生变化 ;由于热胀冷缩效应 ,光栅的周期也会发生变化 ,从而引起和的变化 ,最终导致 Bragg 光栅波长的漂移。 只考虑温度对Bragg 波长的影响 ,在忽略波导效应的条件下,光纤光栅的温度灵敏度为 式中 F 为折射率温度系数;α为光纤的线性热膨胀系数;p11 和 p12 为光弹常数。 由式 (2) 可知光纤光栅受到应变作用或当周围温度改变时，会使n eff 和发生变化，从而引起 Bragg 波长的移动。通过测量Bragg 波长的移动量，即可实现对外部温度或应变量的测量。 1.1.2 光纤光栅温度传感器的封装 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,要考虑以下因素:(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。为了能够有效起到增敏作用一般采用合金、钢、铜、铝等热膨胀系数大的材料对光纤光栅进行封装。 1.1. 2.1 蝶形片封装
光纤光栅传感器的基本原理及实际应用 一、前言 1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一根光纤光栅。1989年，美国联合技术研究中心的G.Meltz等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面写入技术，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。随着光纤光栅制造技术的不断完善，其应用的成果日益增多，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤放大器（EDFA）技术之后的又一重大技术突破。 光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是Bragg光栅（也称为反射或短周期光栅）；二是透射光栅（也称为长周期光栅）。光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅（chirp光栅）。目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。 在光纤传感器领域，光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小（标准裸光纤为125um）、重量轻、耐温性好（工作温度上限可达400℃-600℃）、复用能力强、传输距离远（传感器到解调端可达几公里）、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，早在1988年就成功地在航空、航天领域中作为有效的无损检测技术，同时光纤光栅传感器还可应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域，还在土木工程领域（如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、
光纤光栅 光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的反射或透射的反射镜或滤波器。 光纤光栅可与光纤完全兼容，不存在集成波导光栅与光纤的耦合问题。光纤光栅的出现，使许多复杂全光纤通信和传感网成为可能，极大的拓宽了光纤技术的应用范围。 3.3 光纤光栅传感器的工作原理 1989年Morey等人首先对光纤光栅的应力和温度传感特性进行了研究。应力影响由光弹效应导致折射率变化和形变使光纤光栅周期变化引起，温度影响由热光效应使有效折射率改变和热膨胀效应使光栅周期变化引起。 光纤光栅传感器的工作原理是借助于某种装置将被测参量的变化转换为作用于光纤光栅上的应力或温度的变化，从而引起光纤光栅布拉格波长变化。由光纤光栅布拉格波长的变化测量出被测量的变化。即采用波长调制方式，将被测信息转化为特征波长的移动。实验测定，布拉格波长在1550nm附近的光纤光栅的应力和温度响应分别为1.2nm/με和1.0nm/。 根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤布拉格光栅中传输时，产生模式耦合，满足布拉格条件的波长光被反射，于是有 （3-1）式中：为导模的有效折射率，为光纤栅格周期。 符合布拉格条件的反射光波长的移位为 （3-2）3.3.1 温度响应 当只考虑温度影响时，有 （3-3）式中：为热膨胀系数，为热光系数。且有
（3-4） （3-5）对于掺锗石英光纤，取；的范围内，取 ，在时，取。 3.3.2 应变响应 当只考虑应力影响时，有 （3-6）式中：为轴向应变，是泊松比，p是光纤光栅应变灵敏度系数。 对于掺锗石英光纤，p取0.22，则 （3-7）实际应用中，是个很小的量，可以引入作为应变度量单位。 3.3.3 光纤光栅传感器性能指标 传感器波长：FBG反射谱中的尖峰的中心波长，大多FBG传感系统工作在50nm （1520nm~1570nm）窗口范围内。 传感器带宽：FBG反射谱中的尖峰下降3dB时对应的波长宽度。带宽越小，测量精度越高。实际的制作工艺可达到0.2nm~0.3nm之间，通常取0.25nm。 反射率：返回测量系统的光功率占原始光功率的百分比，决定信号强度。边模抑制：决定信噪比。 3.3.4 光纤光栅传感器的特点 光纤光栅与光纤之间存在固有的兼容性，很容易将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列，实现分布式传感。且具有抗腐蚀、抗电磁干扰、频带宽、重复性好、多只光栅时分、波分复用方便及波长编码方式不受光源功率波动和系统损耗影响等特点。波长编码保证了检测到的光频谱取决于光源和布拉格光栅的频谱，对电磁场以及布什加在光栅上的应力、温度等都不敏感。 光纤光栅传感器使用于特殊结构的传感网络，如水坝寿命监测、桥梁缺陷监测、大型运输载体的复合材料在不破坏材料性质基础上对多种物理量的多点分布测量等。