光纤光栅传感器的封装.pdf
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2023-08-27
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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
125 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
/
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
与应变
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
（1）
式中：
(1/ )( / )n dn dT
；
( 1/ )( / )
e
p n dn d
；
(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
1.13 10
nm/℃和
3
1.2 10 /nm
，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
（2）
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