光纖光柵管式封裝工藝研究

甘望+王華強+謝忱+朱勇+代子倫

摘要：

使用了外徑0.8 mm、內徑0.58 mm、長度40 mm的不銹鋼鋼管作為套管材料，對光纖光柵進行了保護型封裝，并且提出了單頭式和雙頭式兩種光纖光柵溫度傳感器的管式封裝方法，制作得到只對溫度敏感的溫度傳感器。通過應力拉伸試驗檢驗了封裝的可靠性，并采用水浴試驗研究了其溫度傳感特性。結果表明，單頭式封裝方式比雙頭式封裝效果更好，依然保持著非常好的波長與溫度之間的線性關系，線性擬合度均達到0.997以上，并且均得到很好的重復性。采用該封裝工藝可以有效地解決光柵交叉敏感問題，從而滿足了一些對光纖光柵傳感器尺寸和兼容性要求較高的場合的需要。

關鍵詞：

光纖光柵傳感器； 封裝工藝； 溫度； 應變

中圖分類號： TN 253文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.014

Abstract：

Two tubular types of metallic packaging fiber Bragg grating （FBG） sensors were introduced using tubular stainless steel material with external diameter of 0〖BF〗.8 mm inner diameter of 0〖BF〗.58 mm and length of 40 mm. The singleend type and doubleend type sensors were packaged in order to meet some requirements on sensor size and compatibility. Then the temperature properties and packaging effect of the encapsulated FBG sensors were experimentally studied via tensile tests and hot water bath respectively. The experimental results indicate that the singleend type FBG has better packaging performance than the double end type. There exists good linearity and preferable repeatability for the both types of packaged FBG sensors and their linear correlation coefficients are more than 0〖BF〗.997.

Keywords：

fiber Bragg grating sensor； packaging technique； temperature； strain

引言

光纖光柵（FBG）傳感器是一種新型傳感元件，憑借其抗電磁干擾、耐腐蝕、熔接損耗小、靈敏度高、體積?。ㄖ睆?0～125 μm）、易于分布式測量等優(yōu)越的特性，快速發(fā)展為最具前途的傳感元器件之一，并在航空航天、汽車、土木工程等領域取得了廣泛的應用。美國航空航天局在航天飛機上安裝FBG傳感器，構成傳感網絡，對航天飛機結構的應變和溫度進行實時監(jiān)測[1]。加拿大Beddington Trail大橋是最早使用傳感器進行應變測量的橋梁之一，該橋梁采用18個FBG傳感器用于監(jiān)測橋梁內部的應變，實現(xiàn)了對橋梁結構健康狀況的長期、實時監(jiān)測[2]。Murukeshan和Kalamkarov分別應用FBG傳感器在復合材料板的熱壓釜成型工藝和拉擠工藝中實現(xiàn)了固化過程材料內部應變變化過程的監(jiān)測[3]。Degrieck等[4]將FBG傳感器應用到復合材料纏繞成型的壓力容器中，對容器進行了固化過程的實時監(jiān)測，分析了容器內部殘留的殘余應力。

由于光纖光柵傳感器的交叉敏感問題，即光柵的波長對溫度與應變同時敏感，目前在測量光柵的耦合波長移動時根本無法對應變和溫度兩者加以區(qū)分。所以，處理好交叉敏感問題帶來的影響，是實現(xiàn)光纖光柵傳感器實用化的先決條件。

自光纖光柵問世以來，國內外便針對光纖光柵溫度補償原理開展了大量的研究工作 一般可以分為測量過程中的溫度補償和測量后的結果補償?？傮w來講，采用測量過程中的溫度補償技術的FBG傳感器制造工藝更加復雜。測量后的結果補償則是指在測量后采用某種運算對測量結果進行處理，將溫度效應剝離，相對簡單，易于推廣。比如參考光柵法 即在FBG傳感器所在溫度場附近設置一個光柵溫度傳感器，然后通過測量結果的計算將溫度效應去除[5]?？紤]到目前毛細鋼管封裝的光纖光柵傳感器體型仍然較大，無法滿足一些對傳感器體型和兼容性要求較高的場合，本文針對FBG傳感器的傳感特點 研究了體積小、兼容性好、可埋入的毛細鋼管封裝工藝，并通過拉伸試驗和水浴試驗對其應變與溫度傳感特性進行研究。

1光纖光柵的應變與溫度測量原理

2光纖光柵傳感器封裝工藝

針對光纖光柵傳感器埋入復合材料的特點，設計了單頭式和雙頭式兩種封裝形式。封裝時為了最大限度地發(fā)揮FBG傳感器體積小的優(yōu)勢，提高其埋入復合材料后的相容性，選用外徑為0.8 mm、內徑為0.58 mm、長度為40 mm的薄壁不銹鋼管作為封裝的套管。光纖光柵的管式封裝工藝如圖1所示，將光纖光柵用環(huán)氧樹脂膠封裝在鋼管中。所用的封裝材料環(huán)氧樹脂膠化學性能穩(wěn)定，而且耐高溫，用來密封金屬管口可以提高封裝FBG傳感器的抗腐蝕能力，而且保證了復合材料固化過程所在的高溫環(huán)境下的穩(wěn)定監(jiān)測。對于單頭式封裝，封裝前將FBG、毛細鋼管先用無水酒精擦拭后晾干備用，把環(huán)氧樹脂膠AB兩組分按比例混合并調和均勻。再將光柵的尾端光纖剪斷后將光柵伸入毛細鋼管中，端口處用備好的環(huán)氧樹脂膠將光纖固定，另一端的端口也用環(huán)氧樹脂膠填充。需要注意的是，被封裝在毛細鋼管中的光纖光柵一端始終是自由狀態(tài)，保證了光柵始終處于自然松弛的狀態(tài)，避免外界應力對其產生影響，如圖1（a）所示。雙頭式封裝如圖1（b）所示。用環(huán)氧樹脂膠將光柵在毛細鋼管兩端口進行密封，保持其處于毛細鋼管的中心位置。同時封裝FBG時對光纖部分施加一定的預緊力，可以防止膠固化不均勻而引起的光柵啁啾現(xiàn)象，最后等待兩種不同封裝的FBG固化完全。

3.1毛細鋼管封裝光纖光柵的拉伸試驗

已經封裝并且固化完全的FBG傳感器投入使用時，如果封裝不良，F(xiàn)BG可能會受到軸向應力的影響，因此需要對封裝好的FBG傳感器進行拉伸試驗以檢驗封裝的可靠性。通過懸掛砝碼法來研究毛細鋼管封裝的光纖光柵的應變傳感特性。將采用兩種不同封裝方法的兩根光柵（中心波長為1 285 nm）自由地懸掛起來，一端通過跳線連接在解調儀上，毛細鋼管另一端則連接一個托盤。對于單頭式封裝FBG，托盤夾持在毛細鋼管沒有光纖出頭的鋼管末端；對于雙頭式封裝FBG，托盤夾持在沒有連接跳線的光纖另一端上?？胀斜P和夾頭的重量為17 g，不斷地向托盤上添加砝碼，每次向托盤添加重量為10 g的砝碼，直至添加到砝碼重量為80 g，多次讀取解調軟件上的相應波長變化，取其平均值，得到波長變化曲線。

得到數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。從圖中可以看出，兩種不同封裝形式的FBG溫度傳感器在室內環(huán)境溫度基本保持不變的情況下，通過不斷添加砝碼人為施加一定外部應力，光柵的波長變化有明顯的差別。單頭封裝的兩個傳感器光柵中心波長在±3 pm以內變化，并未觀測到明顯的漂移，表明單頭封裝的光纖光柵傳感器在一定范圍內均對應變不敏感，也預示著FBG封裝性能良好，可靠性高。

而雙頭封裝的兩個傳感器波長變化相對較大，最大偏移達到了26 pm，表明雙頭封裝的兩個傳感器在軸向拉伸作用下對中心波長有一定的影響，說明FBG封裝效果相對較差。同時相同封裝形式的兩根光纖光柵傳感器幾乎表現(xiàn)出了一致的波長漂移幅值，說明兩種封裝形式不但工藝簡單，而且重復性高。兩種封裝形式的光纖光柵傳感器在拉伸試驗中表現(xiàn)出來的差異是由于二者封裝形式上的區(qū)別造成的，單頭封裝在毛細鋼管中的光纖光柵一端始終是自由狀態(tài)，保證了光柵始終處于自然松弛的狀態(tài)，從而避免了外界應力對光柵產生干擾。即使光纖和毛細鋼管在膠粘處有微小的彈性形變，光纖光柵傳感器在使用過程中如果受到外力的作用時，也只會將應力轉移到光纖和毛細鋼管上，不會對處于保護狀態(tài)下的光纖尾端的光柵產生影響，因此封裝效果非常理想。雙頭封裝則不同，盡管環(huán)氧樹脂AB膠在毛細鋼管的兩端口將光纖和毛細鋼管粘接成一體，當光柵的兩端受拉時，環(huán)氧樹脂膠難免會在軸向產生微小的形變，因而會對光柵的波長產生一定的影響。

3.2毛細鋼管封裝光纖光柵的溫度傳感特性

為了保證封裝的光纖光柵能夠均勻地感應溫度變化，采用水浴法對封裝好的光纖光柵傳感器進行溫度標定 即將兩根單頭封裝的FBG1和FBG2（中心波長為1 285 nm）和兩根雙頭封裝的FBG3和FBG4（中心波長為1 315 nm）置于盛滿沸水的大燒杯中部，避免光柵接觸到燒杯內壁。在緊靠光纖光柵的水中放置一支高精度水銀溫度計。同時為了更好地調節(jié)與保持溫度，采用降溫的方式測量光纖光柵的溫度傳感特性，隨著燒杯中沸水的溫度從80 ℃緩慢下降到到40 ℃，每下降2 ℃為一個單位，在降低到預定溫度時迅速記錄四根光纖光柵相應的中心波長數(shù)據(jù)，取多次采集的數(shù)據(jù)的平均值，得到封裝光纖光柵波長與溫度的關系曲線。

光纖光柵傳感器的溫度靈敏度系數(shù)KT計算公式為

對于一般的石英硅光柵，F(xiàn)BG傳感器的熱膨脹系數(shù)α和熱光系數(shù)ξ分別為0.55×10-6 ℃-1和6.3×10-6 ℃-1。已經實際測得FBG1、FBG2、FBG3和FBG4的初始波長分別為1 285.414，1 285.483，1 315.478，1 315.995 nm，可以算出四個相應的理論溫度靈敏度系數(shù)，如表1所示。圖3為封裝光纖光柵波長與溫度的關系。

圖3（a）為單頭封裝的光纖光柵FBG1在降溫過程中的溫度波長特性曲線，線性相關系數(shù)分別為0.999 89，其波長與溫度的線性擬合方程為y=0.008 56x+1 285.167 49。圖3（b）為單頭封裝的光纖光柵FBG2在降溫過程中的溫度波長特性曲線，線性相關系數(shù)為0.999 78，其波長與溫度的線性擬合方程為y=0.008 49x+1 285.237 4。單頭式保護型封裝FBG1和FBG2溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)分別為8.56 pm/℃和8.49 pm/℃，與裸光柵溫度靈敏度系數(shù)8.805 pm/℃相比，偏差分別為2.78%和3.58%，同時封裝的光纖光柵傳感器良好的線性擬合度保證了在實際工程應用中對溫度測量的準確性。單頭式保護封裝工藝非常簡單，成本較低。

圖3（c）和3（d）為雙頭封裝的光纖光柵FBG3和FBG4在降溫過程中的溫度波長特性曲線，可以看出溫度和波長依然保持相當高的線性相關度，F(xiàn)BG3的線性相關系數(shù)為0.999 89，F(xiàn)BG4的線性相關系數(shù)有所下降，但仍然達到0.997 73。二者的波長與溫度的線性擬合方程分別為y=0.008 5x+1 315.243 3和y=0.008 49x+1 315.836 88。雙頭式保護型封裝FBG溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)分別為8.50 pm/℃和8.47 pm/℃，與裸光柵理論溫度靈敏度系數(shù)的偏差分別為5.67%和6.05%。

4結論

本文基于光柵溫度補償問題提出了兩種適用于埋入復合材料的光纖光柵溫度傳感器封裝方法，通過拉伸試驗檢驗了封裝的效果，并采用水浴法分析了毛細鋼管封裝后的光纖光柵的溫度特性。結果表明，提出的單頭式封裝方式無論是封裝效果還是溫度靈敏度特性都較雙頭式封裝更好。兩種封裝后的光纖光柵依然保持著非常好的波長與溫度線性關系，線性擬合度均達到0.997以上，并且均得到很好的重復性，封裝工藝簡單，成本低廉。同時經該封裝方法制作出來的光纖光柵傳感器尺寸很小，最大限度地發(fā)揮了光纖光柵傳感器體積小的優(yōu)勢，適用于一些對傳感器尺寸和兼容性要求較高的場合，擁有極為廣闊的應用前景。

參考文獻：

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