李玉龍，溫昌金，趙 誠(chéng)

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院江西省機(jī)器人及焊接自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330031)

1 引言

光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)在光通信技術(shù)領(lǐng)域作為一種新型的無源器件，因其具有耐腐蝕、體積小、可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)式分布測(cè)量、不受光強(qiáng)波動(dòng)影響、自參考的絕對(duì)測(cè)量、便于單光源波分復(fù)用和光集成等優(yōu)良特性，近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。目前，F(xiàn)BG存在的諸如交叉敏感等問題已經(jīng)得到部分解決，其研究已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段。美、日、歐等國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)將FBG成功應(yīng)用于航空航天、建筑工程、石油化工業(yè)、電力工業(yè)、智能機(jī)器人等領(lǐng)域［1－3］。

主要成分為SiO2的裸光柵細(xì)小質(zhì)脆，尤其是其抗剪能力很差，直接將其作為傳感器在工程實(shí)際應(yīng)用中遇到了很多問題:例如，溫度、應(yīng)變靈敏度低，容易損壞，布設(shè)工藝?yán)щy等。因此，必須對(duì)FBG進(jìn)行增敏封裝保護(hù)。針對(duì)FBG應(yīng)用中存在的問題，研究人員進(jìn)行了相應(yīng)的工作，報(bào)道了多種封裝方法及與其配合的裝置裝備。盡管解決了部分問題，但各種方法和裝置都存在各自的局限。例如，本文作者研究表明金屬保護(hù)溫度增敏靈敏度倍數(shù)偏低、中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性較差，而且金屬保護(hù)溫度增敏后壓力靈敏度有所降低;聚合物增敏的傳感器作為溫度傳感時(shí)，溫度響應(yīng)速度慢，而且存在易老化等問題;結(jié)構(gòu)增敏存在工藝復(fù)雜等問題。因此，對(duì)FBG的增敏封裝進(jìn)行深入研究對(duì)其工程實(shí)用化具有重要意義。

2 FBG傳感原理

FBG溫度、應(yīng)變傳感基本原理:用激光干涉條紋側(cè)面輻照摻雜光纖技術(shù)在光纖內(nèi)部制作光柵，當(dāng)光柵周圍的溫度、應(yīng)變等發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率變化，從而產(chǎn)生布拉格反射峰值波長(zhǎng)漂移，通過檢測(cè)布拉格反射峰值波長(zhǎng)漂移，即可獲得溫度、應(yīng)變的變化量;由于FBG存在溫度、應(yīng)變交叉敏感效應(yīng)，測(cè)量時(shí)需進(jìn)行溫度、應(yīng)變補(bǔ)償。

2.1 溫度傳感模型

由耦合模理論可知，均勻周期FBG反射峰中心波長(zhǎng)(布拉格波長(zhǎng))滿足［4］:

式中，neff為有效折射率;Λ為光柵周期。

由式(1)可知，布拉格波長(zhǎng)是隨neff和Λ而改變的。當(dāng)光柵所處的外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，可導(dǎo)致FBG本身的溫度發(fā)生變化。由于光纖材料的熱光效應(yīng)，光纖的折射率會(huì)發(fā)生變化;由于光纖材料的熱脹冷縮效應(yīng)，光柵的條紋周期也會(huì)發(fā)生變化，從而引起neff和Λ的變化，最終導(dǎo)致光柵布拉格波長(zhǎng)λB的漂移。漂移的幅度與溫度的改變量呈線性關(guān)系［5］:

式中，ΔλT表示溫度變化引起的λB的漂移幅度;ξ=(1/Λ)(Λ/T)為光纖材料的熱膨脹系數(shù);ξ=(1/neff)(?neff/?T)為光纖材料的熱光系數(shù);ΔT 為溫度變化量。對(duì)于石英光纖，α≈0.5×10－6/℃，ξ≈ 6.7×10－6/℃。

當(dāng)FBG被粘貼于基底材料表面時(shí)，基底材料的形變和熱膨脹通過相互作用力作用于FBG，使其中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移。若用αs表示基底材料的熱膨脹系數(shù)，則此時(shí)FBG的溫度響應(yīng)可表示為［6］:

式中，KT為溫度靈敏度系數(shù)，一般情況下裸光纖光柵的KT=6.72 ×10－6/℃;Pe=)［P12－ν(P11+P12)］為光纖的有效彈光系數(shù);其中P11和P12為光纖彈光系數(shù);υ為泊松比。

2.2 應(yīng)變傳感模型

FBG不但具有溫度傳感特性外還具有應(yīng)變傳感特性，即FBG的中心波長(zhǎng)隨應(yīng)力的變化特性。一方面是由于光柵介質(zhì)受應(yīng)力作用從而引起折射率的變化，這種現(xiàn)象稱為彈光效應(yīng);另一方面介質(zhì)受應(yīng)力作用其微觀質(zhì)點(diǎn)將發(fā)生位移，亦即改變了光柵的周期，總的作用結(jié)果是使光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移。漂移幅度與應(yīng)變也呈線性關(guān)系［7］:

式中，ΔλS表示應(yīng)變引起的λB的漂移幅度;Pe是光彈性常數(shù);Δε為應(yīng)變幅度。對(duì)于石英單模光纖，Pe=0.22，當(dāng)λB=1500 nm時(shí)，光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)為 1.29 pm/με。

2.3 溫度補(bǔ)償模型

FBG測(cè)量應(yīng)用時(shí)，溫度、應(yīng)變交叉敏感使FBG溫度傳感器不能直接反映溫度變化。為此，要進(jìn)行溫度、應(yīng)變補(bǔ)償，應(yīng)使 ΔλT+ΔλS=0，或者寫成:

一般的，中心波長(zhǎng)為1550 nm的FBG，其溫度靈敏度系數(shù)約為10.3 pm/℃，應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1.209 pm/με(或 －2.05 ×10－6MPa－1)。但是，由于光纖的差別、寫入光柵工藝的不同以及退火工藝的差別造成不同F(xiàn)BG的傳感靈敏度會(huì)有所差異。因?yàn)榉庋b材料的性能參數(shù)［8］(包括泊松比、彈性模量、熱膨脹系數(shù)及封裝厚度)與FBG的材料性能參數(shù)不一致，所以經(jīng)過封裝后的FBG，其溫度、應(yīng)變傳感特性會(huì)因?yàn)榉庋b材料不同而受到不同程度的影響。

3 FBG封裝工藝及裝置

3.1 封裝材料和結(jié)構(gòu)

目前已研究的用于FBG封裝的材料較多，可分為兩大類，即金屬(鈦合金、不銹鋼、鋁合金等)和非金屬(聚合物、陶瓷等)。封裝材料的性能參數(shù)(包括泊松比、彈性模量、熱膨脹系數(shù)及封裝厚度)與FBG材料性能參數(shù)不一致，因此不同的封裝材料對(duì)FBG的溫度、應(yīng)變傳感特性具有不同程度的影響。溫度靈敏度系數(shù)隨著熱膨脹系數(shù)、泊松比及封裝厚度的增大而增大。當(dāng)希望溫度靈敏度系數(shù)增大時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇熱膨脹系數(shù)、泊松比較大的材料，而且封裝厚度要適當(dāng)增加;但材料本身不是決定封裝增敏效果的唯一因素，使用相同的封裝材料，封裝過程采用不同處理工藝和不同封裝結(jié)構(gòu)，對(duì)FBG的傳感特性也會(huì)有不同影響。近年來，國(guó)內(nèi)外許多研究通過采用不同的材料及封裝方法對(duì)FBG進(jìn)行了增敏封裝和保護(hù)，具有代表性的研究結(jié)果如表1所示。

表1 光纖光柵封裝技術(shù)研究成果

采用各種材料和結(jié)構(gòu)對(duì)FBG進(jìn)行封裝以后，其傳感特性得到顯著提升:有的使溫度靈敏度得到提高，有的使應(yīng)力應(yīng)變靈敏度得到提高，也有的使兩者都不同程度的提高。從表1中的增敏數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論:(1)以金屬為封裝材料的FBG封裝工藝基本不改變FBG 應(yīng)變靈敏度［9，13］，對(duì)FBG 溫度靈敏度有所提升，但是提升幅度相對(duì)于以聚合物為封裝材料的FBG要偏低。金屬封裝后的FBG，其溫度靈敏度系數(shù)可達(dá)到40.286 pm/℃［19］，而聚合物封裝 FBG后，其溫度靈敏度系數(shù)可達(dá)到237 pm/℃［34］。(2)聚合物封裝FBG雖然可以很大幅度提高其溫度、應(yīng)變傳感特性，但存在聚合物易老化、使用壽命短、熔點(diǎn)低、適用溫度范圍小等缺陷。因此，如何解決金屬封裝增敏效果以及如何提高聚合物封裝FBG環(huán)境適應(yīng)性有待進(jìn)一步研究。(3)裸光柵中心波長(zhǎng)穩(wěn)定，但是經(jīng)過封裝后的FBG在使用過程中存在中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性差的問題，對(duì)FBG在工程測(cè)量中可能會(huì)造成不良影響。

3.2 溫度增敏封裝

裸光纖光柵的溫度靈敏度約為0.1℃，溫度靈敏度偏低。因此，需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆庋b，提高其溫度靈敏度。1995年，Inoue等人［35］首先將FBG粘貼在鋁片上進(jìn)行溫敏實(shí)驗(yàn)，增敏效果不顯著。同年，G.W.Yoffe等人［36］提出了采用二氧化硅毛細(xì)管與鋁合金毛細(xì)管雙層封裝FBG的方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。2000年，劉啟云等人［37］利用聚合物材料封裝光柵的方法提高FBG的分辨力，使溫度傳感器的分辨力達(dá)到0.3℃。2001－2004年，Li X.C.等人［38］采用激光燒結(jié)的方法將金屬涂層保護(hù)下的FBG嵌入不銹鋼基體，進(jìn)行了250℃以下的溫度傳感測(cè)試。從2005年起，本實(shí)驗(yàn)室研究小組研究了光纖金屬化保護(hù)方法，建立了金屬化保護(hù)條件下的傳感模型，分別采用釬焊和超聲波焊的方法成功的將FBG嵌入42CrMo鋼和鋁合金中［39－42］，封裝后 FBG 溫度靈敏度顯著提高。系統(tǒng)研究了鍍層厚度對(duì)FBG溫度傳感特性的影響，在研究中發(fā)現(xiàn)，由于鍍層與光柵之間的直接接觸引起的接觸應(yīng)力造成波長(zhǎng)穩(wěn)定性降低。針對(duì)這一新的問題，本文作者提出了封裝后FBG中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性差的解決方法，并正在進(jìn)行深入研究。

根據(jù)封裝材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，F(xiàn)BG封裝增敏主要分為金屬結(jié)構(gòu)封裝增敏、非金屬封裝增敏以及復(fù)合式封裝增敏。

3.2.1 金屬結(jié)構(gòu)封裝增敏

1)金屬管式封裝增敏。張燕君等人［9］提出了一種FBG的毛細(xì)鋼管封裝工藝，通過材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)和恒溫箱對(duì)其應(yīng)變與溫度傳感特性進(jìn)行了研究，結(jié)構(gòu)如圖1所示。結(jié)果表明，與裸光柵相比，毛細(xì)鋼管封裝工藝基本不改變FBG的應(yīng)變靈敏度，溫度靈敏度達(dá)到28.9 pm/℃，約為裸光纖光柵的2.7倍，且線性度、重復(fù)性良好，為FBG在溫度測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一個(gè)很好的封裝方法。

圖1 光纖光柵毛細(xì)管封裝示意圖［9］

2)金屬片狀封裝增敏。于秀娟等人［13］采用鈦合金對(duì)FBG進(jìn)行片狀封裝，結(jié)構(gòu)如圖2所示。提出了FBG鈦合金片封裝工藝，理論分析了應(yīng)變和溫度傳感特性，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，與裸FBG相比，鈦合金片封裝方法基本不改變FBG應(yīng)變靈敏度;溫度靈敏度系數(shù)提高到19.76 pm/℃，為裸光柵的1.76倍;經(jīng)過鈦合金片封裝后的FBG可以探測(cè)到1 με的應(yīng)變變化和0.05℃的溫度變化。這種封裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作，但是溫度靈敏度提高幅度不大，有待進(jìn)一步研究，使其增敏效果顯著提高。

圖2 鈦合金片封裝FBG示意圖［13］

3)金屬鍍層封裝增敏。本文作者在前人研究的基礎(chǔ)上提出了采用化學(xué)鍍和電鍍相結(jié)合的方法［14，41］對(duì)FBG進(jìn)行鍍銅、鍍鎳及化學(xué)復(fù)合鍍金屬化保護(hù)。對(duì)鍍層和光柵之間的結(jié)合力、鍍層的可焊性、導(dǎo)電性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并得到隨著鍍層厚度的增加，對(duì)FBG溫度傳感器的增敏效果也增加。當(dāng)鍍層厚度達(dá)到337.5 μm時(shí)，溫度靈敏度系數(shù)達(dá)到25.86 pm/℃。金屬鍍層保護(hù)之后，再采用釬焊方法［14］將FBG嵌入42CrMo中;采用超聲波焊方法［41］將鍍鎳FBG嵌入鋁合金薄片中。研究結(jié)果表明，先對(duì)FBG金屬鍍層保護(hù)，再將其嵌入金屬材料中，其溫度靈敏度得到顯著提高。該金屬化保護(hù)過程操作簡(jiǎn)單，成本低，能有效地保護(hù)FBG并提高其溫度靈敏度。目前，本實(shí)驗(yàn)室研究小組正在進(jìn)行對(duì)FBG鍍鋅封裝，研究結(jié)果表明，鍍鋅FBG溫度靈敏度可達(dá)到50 pm/℃以上。

3.2.2 聚合物封裝增敏

Toru Mizunami等人［31］采用熱膨脹系數(shù)大的有機(jī)聚合物為封裝材料，將中心波長(zhǎng)為1.55 μm的FBG封裝在兩塊有機(jī)聚合物基板中間，結(jié)構(gòu)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)溫度由77 K到300 K。研究表明，兩塊聚合物封裝的FBG當(dāng)溫度為77 K時(shí)，溫度靈敏度系數(shù)為39 pm/℃，是相同溫度條件下，PPMA基板封裝FBG的1.5倍、鋁合金封裝FBG的2倍;當(dāng)溫度為300 K時(shí)，溫度靈敏度系數(shù)高達(dá)150 pm/℃。用單塊聚合物封裝，與兩塊聚合物封裝相比，溫度靈敏度系數(shù)下降5%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值比較，兩者相吻合。這種封裝工藝簡(jiǎn)單、成本低、增敏效果好，但是聚合物存在易老化等問題，使封裝的FBG使用壽命較短。

圖3 聚合物封裝FBG的結(jié)構(gòu)圖［31］

3.2.3 復(fù)合式封裝增敏

與金屬封裝相比較，聚合物封裝大幅度提高溫度靈敏度，并且制作工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)榫酆衔锞哂懈蟮臒崤蛎浵禂?shù)，但是由于聚合物本身的其他性質(zhì)，如存在易老化、使用壽命短、熔點(diǎn)低、適用溫度范圍小等缺陷，使得聚合物封裝的FBG使用環(huán)境受到限制。為了保留聚合物封裝與金屬封裝各自的優(yōu)點(diǎn)，研究人員提出了一種金屬與聚合物復(fù)合式封裝增敏方法。

孫安等人［24］采用向金屬管中注入高熱膨脹系數(shù)的液體聚合物，并添加穩(wěn)定劑以及抗老化劑。管內(nèi)留有一定的空間裕度，使聚合物材料的熱膨脹性能不受影響，然后對(duì)光纖光柵進(jìn)行灌封，最后高溫固化5 h。經(jīng)過這種封裝后，F(xiàn)BG可實(shí)現(xiàn)20～80℃范圍內(nèi)對(duì)溫度高靈敏測(cè)量。研究結(jié)果表明，聚合物填充金屬管復(fù)合封裝的FBG傳感器溫度響應(yīng)靈敏度在20～130℃為 50 pm/℃，在 130～180℃達(dá)到了220 pm/℃，并在兩個(gè)區(qū)域保持較好的重復(fù)性。此結(jié)構(gòu)傳感器封裝工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可用于高溫惡劣環(huán)境下的溫度單參量測(cè)量，然而溫度傳感特性線性度不好。

3.3 應(yīng)力應(yīng)變?cè)雒舴庋b

裸光柵壓力靈敏度較低，在70 MPa的高壓下，裸光柵中心反射波長(zhǎng)僅漂移了0.22 nm［43］，壓力靈敏度系數(shù)僅為 －1.98 ×10－6MPa－1，這給信號(hào)檢測(cè)帶來了不便，制約了光柵在壓力測(cè)量中的應(yīng)用。一直以來，國(guó)內(nèi)外研究人員就如何提高FBG壓力靈敏度進(jìn)行了大量研究，而且取得了很大的進(jìn)展。1996年，M.G.Xu等人［32］將 FBG固定于中空的玻璃球結(jié)構(gòu)中，使其壓力靈敏度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，壓力靈敏度系數(shù)提高到－21.2×10－6MPa－1，但這種方法存在FBG在壓縮過程中容易損壞的缺點(diǎn)，因此具有一定局限性。隨后，Liu Qiyun等人［6］提出了一種新的FBG聚合物封裝方法，進(jìn)行了壓力傳感測(cè)試，結(jié)果表明FBG壓力靈敏度得到顯著提高。2004年，B.K.A.Ngoi等人［26］采用硅橡膠對(duì)FBG進(jìn)行封裝，并進(jìn)行了測(cè)應(yīng)力和波長(zhǎng)漂移關(guān)系的測(cè)試，同時(shí)應(yīng)用ANSYS進(jìn)行模擬。2007年，Hanidreza等人［44］將中碳鋼塊加工出方形空腔，在空腔中澆鑄Sn－Pb合金，在鑄造的過程中將FBG埋入中碳鋼中，進(jìn)行了應(yīng)力和波長(zhǎng)漂移關(guān)系的測(cè)試。2012年，楊吉祥等人［45］利用復(fù)合材料封裝FBG，在霍普金森壓桿上對(duì)封裝前的裸光柵和封裝后的FBG應(yīng)變傳感器分別進(jìn)行了高速?zèng)_擊試驗(yàn)，試驗(yàn)表明:封裝后的FBG傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)上升時(shí)間小于20 μs，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，可以用于工程中混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)高速?zèng)_擊下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試。

FBG傳感器的增敏效果主要取決于封裝材料和封裝工藝。根據(jù)封裝材料特點(diǎn)，F(xiàn)BG應(yīng)變?cè)雒舻姆庋b方式主要有金屬管材封裝增敏和聚合物封裝增敏。

3.3.1 金屬管材封裝增敏

Liu Lihui等人［18］采用向銅管中注入有機(jī)聚合物對(duì)FBG經(jīng)行封裝，如圖4(a)所示。封裝前對(duì)FBG施加預(yù)應(yīng)力，避免因聚合物收縮凝固造成啁啾效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)研究了FBG的應(yīng)變傳感特性，如圖4(b)所示。結(jié)果表明，封裝后的FBG應(yīng)變靈敏度提高到 －2.44×10－3MPa－1，約為裸光柵的 1200倍;避免了溫度和應(yīng)變的交叉敏感問題，得到與溫度無關(guān)的FBG壓力傳感器。這種封裝應(yīng)變?cè)雒粜Ч?，別無啁啾效應(yīng)。

圖4 FBG的封裝結(jié)構(gòu)及應(yīng)變特性測(cè)試［18］

3.3.2 聚合物封裝增敏

Wen Qingzhen等人［30］采用楊氏模量為9.0×106MPa、泊松比為0.49的聚合物(PP－1)封裝FBG壓力傳感器，封裝結(jié)構(gòu)如圖5所示。并且合成了從羥基封端從羥基封端的聚環(huán)氧丙烷低聚物，甲苯二異氰酸酯(TDI)，1，4－丁二醇作為擴(kuò)鏈劑、催化劑、泡沫劑和泡沫穩(wěn)定劑。結(jié)果表明，封裝后的FBG的應(yīng)變靈敏度系數(shù)提高到裸光柵的558倍，即應(yīng)變靈敏度系數(shù)為－1.10×10－3MPa－1。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果(－1.73×10－3MPa－1)較吻合，并且中心波長(zhǎng)與應(yīng)變具有良好的線性度。

圖5 PP－1封裝FBG結(jié)構(gòu)示意圖［30］

3.4 溫度補(bǔ)償封裝

由于FBG對(duì)溫度和應(yīng)變存在交叉敏感的問題，當(dāng)FBG作為應(yīng)變傳感器時(shí)，需要對(duì)FBG進(jìn)行溫度補(bǔ)償。因此，如何通過封裝消除溫度、應(yīng)變的交叉敏感問題，對(duì)于光纖光柵的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。近幾年來，研究人員對(duì)FBG交叉敏感問題進(jìn)行了大量研究。1991年，美國(guó)的William W.Morey等人［46］申請(qǐng)了一種溫度補(bǔ)償裝置專利。2000年，Sungchul Kim等人［47］研究了FBG溫度、應(yīng)變交叉敏感問題，提出了相應(yīng)的解決對(duì)策，研制了與溫度無關(guān)的FBG壓力傳感器。2002－2003年，Yu-Lung Lo等人［48］提出無需預(yù)加載機(jī)構(gòu)對(duì)FBG進(jìn)行金屬鍍層封裝，進(jìn)行了溫度應(yīng)變傳感實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明溫度補(bǔ)償效果良好。2006年，Y.S.Hsu等人［49］提出了一種新的對(duì)溫度不敏感的壓力傳感測(cè)量裝置，實(shí)驗(yàn)表明壓力靈敏度得到顯著提高，并且在10～60℃期間中心波長(zhǎng)對(duì)溫度不敏感。在前人的研究基礎(chǔ)上，Wentao Zhang等人［50］提出了一種新型的具有溫度補(bǔ)償功能的FBG壓力傳感器，結(jié)構(gòu)如圖6所示。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)FBG的應(yīng)變特性進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，應(yīng)變靈敏度達(dá)到93.7 pm/με;溫度靈敏度為 20 pm/℃，在應(yīng)變測(cè)量時(shí)，溫度引起的波長(zhǎng)漂移得到很好的補(bǔ)償。

圖6 FBG應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)［50］

3.5 封裝裝置

封裝裝置是實(shí)現(xiàn)FBG保護(hù)、增敏封裝的重要因素，一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)良好的封裝裝置能使封裝增敏效果更佳，同時(shí)也能降低封裝成本。因此，深入研究FBG封裝裝置，以提高光纖光柵中心波長(zhǎng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性，是近幾十年來研究人員的主要工作。美國(guó)的 Morey 等人［46］(1991 年)、Lemaire 等 人［51］(1998年)分別申請(qǐng)了一種無源式、通過封裝材料的長(zhǎng)度變化改變光纖光柵所受應(yīng)力而使之抵消由折射率變化產(chǎn)生的影響，從而達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч臏囟妊a(bǔ)償裝置專利。2004年，歐進(jìn)蘋等人［52］申請(qǐng)了毛細(xì)管式封裝裝置專利。其裝置能夠保證光纖光柵在毛細(xì)管內(nèi)很好的與軸線對(duì)中，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。2007年，歐攀等人［53］申請(qǐng)了一種光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置專利。該裝置設(shè)計(jì)了對(duì)FBG施加預(yù)應(yīng)力的機(jī)構(gòu)，補(bǔ)償了溫度變化對(duì)FBG造成的影響。2008年，喬學(xué)光等人［54］申請(qǐng)了一種新的封裝裝置國(guó)家專利。該裝置也設(shè)計(jì)了施加預(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)，通過在對(duì)FBG施加預(yù)應(yīng)力的情況下進(jìn)行高溫固化封裝，從而達(dá)到所封裝的FBG傳感器無啁啾和波形畸變現(xiàn)象，保證了傳感器的重復(fù)性和線性度。

以上各種封裝裝置都能實(shí)現(xiàn)對(duì)FBG進(jìn)行封裝，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，操作方便。然而，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，依靠手工操作，尤其是對(duì)FBG施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，手工操作難以保證施加應(yīng)力的精確度，這樣會(huì)給溫度補(bǔ)償帶來誤差。為了避免人為因素產(chǎn)生的誤差，進(jìn)一步研究封裝裝置使其施加預(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)智能控制，是今后研究封裝裝置的一個(gè)新方向。

4 結(jié)束語

本文從封裝材料(金屬和非金屬)、封裝結(jié)構(gòu)及裝置等方面總結(jié)了國(guó)內(nèi)外FBG增敏保護(hù)封裝工藝的研究進(jìn)展，對(duì)各自優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析和討論。通過采用不同的封裝材料和封裝結(jié)構(gòu)及裝置，F(xiàn)BG傳感器的溫度、應(yīng)力應(yīng)變靈敏度可分別從10.3 pm/℃提高到 237 pm/℃、從 － 2.05 ×10－6MPa－1提高到－2.2×10－2MPa－1，甚至更高，量程也可從幾千帕提高到上百兆帕。其中，利用聚合物封裝的FBG的溫度、應(yīng)力靈敏度提高幅度較其他材料封裝的更高，這樣使得FBG能夠探測(cè)到更小的溫度、應(yīng)變變化;聚合物存在易老化等問題，使聚合物封裝的FBG使用壽命短，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢。利用金屬結(jié)構(gòu)對(duì)FBG進(jìn)行封裝，可以使FBG具有更廣的溫度適應(yīng)范圍，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，但是其封裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、增敏幅度有限。各種封裝工藝除了各自獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)外，還具有共同的不足之處，即與裸光柵相比，各種封裝后的FBG仍存在溫度、應(yīng)變交叉敏感效應(yīng)以及中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性變差等問題。因此，今后研究FBG封裝工藝有待解決的問題有:(1)如何提高聚合物FBG的使用壽命和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，擴(kuò)大服役溫度范圍;(2)如何提高金屬結(jié)構(gòu)封裝FBG增敏效果，怎樣解決金屬鍍層保護(hù)后FBG中心波長(zhǎng)不穩(wěn)定的問題;(3)如何消除溫度、應(yīng)變交叉敏感效應(yīng);(4)研制新型封裝結(jié)構(gòu)，使其易操作，控制精度高。針對(duì)這些問題，國(guó)內(nèi)外許多科研人員正在采取各種方案對(duì)其系統(tǒng)研究。本文作者正在針對(duì)金屬化封裝中出現(xiàn)的增敏幅度低、中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性差等問題進(jìn)行深入研究。

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