胡家艳3，江 山
(光迅科技股份有限公司，湖北武汉430074)
摘要：针对光纤光栅(FB G)温度传感器的交叉敏感问题，提出了一种FB G温度传感器的Al盒封装工艺，并对其温度和应力特性进行了理论分析和实验研究。研究表明，该封装有效地减小了FB G的应变灵敏性，并将温度灵敏度提高到裸FB G的1.8倍。
关键词：光纤光栅(FB G)；温度传感器；应变敏感；封装
中图分类号:TN253 文献标识码:A 文章编号:100520086(2006)0320311203
Study on E ncapsulating T echnique and Strain Sensing Characteristic of FBG T emperature Sensor
HU Jia2yan3,J IAN G Shan
(Accelink Technology CO.,L TD,Wu Han430074,China)
Abstract:Considering the bare optical fiber Bragg grating(FB G)being fragility,an Al box encap sulating t
echnique for FB G temperature sensor was develop ed.The encap sulation was also in expectatio to minimize the strain sensibility of the encap sulated FB G tempera2 ture sensor.The temp erature and strain sensing characteristics of the encap sulated FB G and the bare FB G were theoretically and experimentally studied.The experimental com2 parison re sults of encap sulated FB G and bare FB G indicated that the strain sensing proper2 ty of FB G wa s much less than bare FB G,and the temperature sensing property of encap su2 lated FB G was1.8time s a s much a s that of bare FB G.
K ey w ords:fiber Bragg grating(FB G);temperature sensor;strain sensing;encap sulation
1 引 言
光纤传感器是一种新型传感器，跟传统传感器相比，具有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小和灵活方便等优点。光纤光栅(FB G)传感器除了具有一般光纤传感器的优点之外，还具有FB G波长编码的特性[1]，它使FB G抗干扰能力强，易于组网复用，实现准分布式测量，可以运用在恶劣环境的场合，是传统传感器的理想替代品[2]。但裸FB G非常脆弱，容易折断，并给施工带来不便，为此提出了多种FB G温度传感器的封装方法[3,4]。同时,FB G除对温度敏感以外，还对外界应力敏感，如何消除应力带来的影响也是研究的重点之一。因此，本文提出了一种FB G温度传感器的封装工艺，并研究了封装后FB G的温度和应力特性。
2 FBG传感原理
FB G传感以其反射波长随外界参量的变化而改变为基础。当宽带光源在FB G中传输时，产生模式耦合，根据光纤耦合模理论，满足Bragg条件的光波λ
B被反射，其余波长的光波被透射，有摸鱼池
λB=2n effΛ(1)式中:Λ为光栅周期;n eff为光栅的有效折射率。Λ和n eff都受外界环境影响，当温度、应力等参量发生变化时，将会导致Λ和n eff的变化，从而导致λB的变化，有 ΔλB=2Δn effΛ+2n effΔΛ(2)
光电子・激光
第17卷第3期 2006年3月 J ournal of Optoelect ronics・L aser Vol.17No.3 Mar.2006 3收稿日期:2005206225 修订日期:2005210223
3 E2m ail:hjy@wri
忽略其他参量的影响，仅考虑外界轴向应力εz
和温度T 对FB G 的影响，此时引起的λB 的相对变化为
ΔλB /λB =(1-P ei )εz +(α+γ)ΔT (3)式中:P ei 是FB G 应变灵敏度系数，对于石英光纤，一
般为0.22[2];α是光纤材料的热膨胀系数，通常为d
=0.55×10-6/℃[4]
双眼皮胶条;γ是热2光系数(即折射率随温
度的变化率)，一般为6.7×10-6/℃[4]
。由式(3)可
知，在εz 和T 同时作用下,FB G 无法区分T 和
εz 所带来的λB 变化。为了去除εz 对FB G 的影响，在FB G 用作温度传感器时，必须采取εz 补偿措施。
3 FBG 温度传感器的封装及分析
采用的FB G 利用相位母板复制法制作而成。FB G 被写在普通掺H 光纤上，制作时涂敷层被剥
除，直径仅为125μm ，抗剪能力很差，容易折断。在耳包
实际工程应用中，为保证FB G 传感器安装时不受损坏，必须采取封装措施对其进行保护。一般而言，在中心波长为1550nm 附近时，光栅对温度的响应度
为13p m/℃，对应力的响应度为1.2p m/με[1]。根据FB G 写入方式和退火工艺的不同，不同FB G 的传
感灵敏度会有所差别，尤其是经过封装以后，封装材料将会对FB G 的温度敏感性有很大的影响。因此，封装后的FB G 必须经过重新标定才能用于实际测量。 图1所示为一种改进的Al 盒封装方式。Al 盒长为30mm ，宽为7mm ，厚为2mm ，盒内部有一弧形小槽，宽为2mm ，深为1mm 。FB G 弯曲放置在里面，分等长3段考虑，中间的1/3段粘在小槽上，另外2/3处于自由状态,FB G 外的两端也尽量松弛，不受
拉力。然后，在小槽两端用结构胶将光纤固定，待两
端固定后，往弧形小槽里面填充不固化的导热膏，加盖封装
。
图1 封装示意图
Fig.1 Sketch of Al box encapsulation for FBG
经封装后，由于FB G 弯曲，盒内FB G 两端的光
纤处于松弛状态，使轴向应力不会传递到FB G 上。弧形小槽内填充物为膏状，不固化，对外界应力有缓
冲和吸收的作用[5]，因此小槽内的FB G 不会受到外界应力的影响。
封装后FB G 的热光系数并没有改变，但FB G 和导热膏及Al 盒封装在一起,Al 盒的热膨胀系数很大，当温度发生变化时,Al 盒膨胀,FB G 会受到拉应力，长度发生变化，增大了中心波长的漂移，起到温度
增敏的作用。封装后,FB G 中心波长与温度的变化关系为[6]
Δλ=λB [α+γ+(1-P ei )(αsub -α
)]ΔT (4)
式中,αsub 是Al 的热膨胀系数，一般为23×
10-6/℃。利用FB G 纵向表达式εz =ΔL/L [2]
,L 为FB G 的总长度,ΔL 为FB G 的伸长量。Al 盒受到热膨胀时引起的
应变即为(αsub -α
山药开沟机
)ΔT =ΔL/L ，长度变化为ΔL =L (αsub -α
)ΔT ，由于FB G 只有1/3粘在基底材料(Al 盒)上，当温度变化时，长度变化为ΔL =(αsub -α)ΔT ×L/3，整个FB G 受到的应变为ΔL/L =(αsub -α)ΔT/3，因此封装后中心波长与温度变化的关系为 Δλ=λB [α+γ+(1-P ei )(αsub -α
)/3]ΔT (5)通过(5)式计算可知，封装后FB G 的温度灵敏度为20.2p m/℃。
4 温度和应力响应测试
为满足实际应用的需求，封装后的FB G 温度传感器需满足:1)抗干扰能力强，对其它参量(主要是外界应力)不敏感;2)具有很好的线性度和重复性。 首先验证封装后FB G 温度传感器的应力特性。将FB
G 温度传感器粘贴在悬臂梁的中心，这样悬臂梁所受的应变能完全传递给传感器。分别对封装前后的FB G 进行应力特性测试，两者的中心波长随应变的响应如图2所示。
图2 封装前后FBG 的应力响应度对比
Fig.2 Strain sensivities of encapsulated FBGand b are FBG
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213・ 光电子
・激光
2006年 第17卷
在室温下，测得FB G 的中心波长为1554.75
nm 。由图2可知，在施加应力范围为0～200μ
ε时，裸FB G 的中心波长变化约210p m ，应变灵敏度约为
1.1p m/μ
ε。封装后的FB G 在0～200με的应力变化范围内，中心波长由1554.75nm 变化为1554.77
nm ，仅20p m 的变化，应变灵敏度约为原来的1/10。 然后进行温度灵敏度和线性度的测试。将FB G 放置于温控箱中，温控箱温度范围设置为25～80℃，由于温控箱指示面板误差较大，因此采用参考电阻温度传感器做温度指示，该传感器的温度灵敏度为0.1℃。利用光谱仪对FB G 中心波长进行检测，测到的FB G 中心波长与温度的响应曲线如图3所示
水箅
。
图3 封装前后FBG 的温度响应度对比
Fig.3 T emperature sensitivities for encapsulated FBGand b ared FBG
实验结果表明：在同样的温度范围内，封装前
FB G 的温度灵敏度为10.8p m/℃，封装后为19.5p m/℃，封装后提高了1.8倍，与理论分析的误差为3%，而且线性度很好。为验证封装后FB G 温度传感器的重复性，对同一FB G 温度传感器进行了3次实验，测试结果如图3示。3次重复测试结果表明，传感器在同一温度点的最大误差为3p m ，精度达0.3%。
5 结 论
1)在Al 槽内填充不固化的导热膏可以有效减小FB G 受轴向应力的影响。还可以采用金属汞、导热油等液态导热材料代替导热膏，以减小气泡的产生，保证温度能快速传递到FB G 上。 2)FB G 的Al 盒封装增加了FB G 对温度的敏感性，提高了解调系统对温度的分辨率。可以根据实际情况调节粘在Al 盒上的FB G 长度，以此改变FB G 传感器的温度灵敏度。参考文献:
[1] Byoungho Lee.Review of the pre sent status of optical fi 2
ber sensors [J ].Optical Fiber Technology ,2003,9:57279.
[2] QI N Wei ,Liao Y B ,Zhang Z P ,et al.Optical waveguide
sensor ;principle and technology [M ].Beijing :Science Publishing Company ,1998.2172218.(in Chinese )[3] H U Shu 2yang ,HE Shi 2ya ,ZH AO Qi 2da ,et al.A novel high 2
sensitivity fiber grating pre ssure sensor [J ].J.of Optoe 2lectronics ・Laser (光电子・激光),2004,15(4):4102412.(in Chinese )
[4] Zhan Y G,Cai H W ,Geng J X ,et al.Study on aluminum
groove encap sulating technique and sensing characteris 2tics of FB G sensor [J ].Acta Photonica Sinica (光子学
报),2004,33(8):9522955.(in Chine se )
[5] Li E B ,X i J T ,Qi K L ,et al.An fabricating technology of
fiber bragg grating temperature sensor [P ].Chinese Pa 2tent :A1563916,2005201212.(in Chine se )
车载散热器
[6] CHE N Shao 2hua ,ZH AO Qi 2da ,MA X iu 2rong ,et al.Dis 2
crimination between temperature and strain on a simple FB G sensor[A].SPIE[C].2004,5279:6412646.作者简介:
胡家艳 (1982-)，女，湖北荆州人，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感及高速光纤通信系统1
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313・第3期 胡家艳等：光纤光栅传感器的应力补偿及温度增敏封装
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