光纤光栅传感器功能型封装技术研究

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。 
     由于裸的光纤光栅直径只有 ，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%26ldquo;功能型封装%26rdquo;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 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 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，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0－100 ℃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0。01 nm/℃和 ，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%26ldquo;放大%26rdquo;，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 
     选用大热膨胀系数材料 作为衬底材料，可设计出不同类型的温度增敏传感器。研究表明，选用有机材料、金属或合金等材料可以较大地提高光纤光栅的温度灵敏度系数，如用一种热膨胀系数很大的混合聚合物对光纤光栅进行封装，在 ℃范围内可将光纤光栅的温度灵敏度提高11.2倍。 
2．2应力增敏封装 
     用杨氏模量较小的材料对光纤光栅进行封装后将传感头置于应力场中，由于基底材料与光栅紧密粘接，产生较大应变的基底材料将对光栅产生带动作用，增加光栅的轴向应变，从而增加布喇格波长的漂移量，使光纤光栅传感器具有更大的应力灵敏度。 
3、其它功能型封装 
     通过设计不同的封装方式和外场施加方式，可以使光纤光栅实现更多的功能。将光纤光栅分段嵌入两种不同的基底材料中，由于两段光栅将具有不同的应力和温度灵敏度，可以实现温度和应力的同时测量，从而解决了应力温度的交叉敏感问题；如果基底材料的横截而积沿光纤方向呈梯度分布，对基底施加轴向应力时，光栅将受到应力梯度的作用，光纤布喇格光栅转化可调谐啁啾光栅，此装置有望应用于光纤的色散补偿中。