光纖光柵傳感器功能型封裝技術研究

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域的傳播行為和方式。其中，具有納米級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成網絡等諸多優點，近年來被廣泛應用于光傳感領域。

經過近十幾年來的研究，光纖光柵的傳感機理己基本探明，用于測量各種物理量的多種結構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、應變、應力、位移、壓強、扭角、扭知(扭應力)、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 ，在惡劣的工程環境中容易損傷，只有對其進行保護性的封裝(如埋入襯底材料中)，才能賦子光纖光柵更穩定的性能，延長其壽命傳感器才能交付使用。同時，通過設計封裝的結構，選用不同的封裝材料，可以實現溫度補償，應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、 溫度減敏和補償封裝

由于光纖光柵對應力和溫度的交叉敏感性，在實際應用中，經常在應力傳感光柵附近串聯或并聯一個參考光柵，用于消除溫度變化的影響。這種方法需要消耗更多的光柵，增加了傳感系統的成本。若用熱膨脹系數極小且對溫度不敏感的材料對光纖光柵進行封裝，將很大程度上減小溫度對應力測量精確性的影響。

另外，采用具有負溫度系數的材料進行封裝或設計反饋式機構，可以對光纖光柵施加一定應力，以補償溫度導致的布喇格波長的漂移，使 的值趨近于0。對于封裝的光纖布喇格光柵而言，其波長漂移 與應變 和溫度變化 的關系式可表示為式(1),基于彈性襯底材料的光纖光柵溫度補償關系，實驗表明，采用負溫度系數的材料對光纖光柵進行封裝，可以在0-100 ℃溫度區獲得波長變化僅為0.08nm的溫度補償效果。

2、應力和溫度的增敏封裝

光纖布喇格光柵的溫度和應變靈敏度很低，靈敏度系數分別約為0。01 nm/℃和 ，難以直接應用于溫度和應力的測量中。對光纖光柵進行增敏性封裝，可實現微小應變和溫度變化量的“放大”，從而提高測量精度，同時，亦使傳感器的測量范圍得以擴展。

2.1溫度增敏封裝

選用大熱膨脹系數材料 作為襯底材料，可設計出不同類型的溫度增敏傳感器。研究表明，選用有機材料、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，如用一種熱膨脹系數很大的混合聚合物對光纖光柵進行封裝，在 ℃范圍內可將光纖光柵的溫度靈敏度提高11.2倍。

2.2應力增敏封裝

用楊氏模量較小的材料對光纖光柵進行封裝后將傳感頭置于應力場中，由于基底材料與光柵緊密粘接，產生較大應變的基底材料將對光柵產生帶動作用，增加光柵的軸向應變，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力靈敏度。

3、其它功能型封裝

通過設計不同的封裝方式和外場施加方式，可以使光纖光柵實現更多的功能。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力和溫度靈敏度，可以實現溫度和應力的同時測量，從而解決了應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，對基底施加軸向應力時，光柵將受到應力梯度的作用，光纖布喇格光柵轉化可調諧啁啾光柵，此裝置有望應用于光纖的色散補償中。