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源器件，它通過在光纖軸向上建立周期性的折射率分布來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)，近年來被廣泛應(yīng)用于光傳感領(lǐng)域。

經(jīng)過近十幾年來的研究，光纖光柵的傳感機(jī)理己基本探明，用于測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。目前，光纖光柵傳感器可以檢測的物理量包括溫度、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、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，延長其壽命傳感器才能交付使用。同時(shí)，通過設(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”，從而提高測量精度，同時(shí)，亦使傳感器的測量范圍得以擴(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

通過設(shè)計(jì)不同的封裝方式和外場施加方式，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)測量，從而解決了應(yīng)力溫度的交叉敏感問題;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。