DOI:10.12086/oee.2021.200195
张燕君，高海川，张龙图，刘强，付兴虎*
燕山大学信息科学与工程学院，河北省特种光纤与光纤传感重点实验室，
河北秦皇岛 066004
摘要：为了实现复杂、恶劣环境下工程机械表面无损的应力监测方式，实现对大型工程机械的实时动态监测，提出了基于磁控溅射技术的光纤布拉格光栅(FBG)应力传感器封装方法。并对完全嵌套(整个栅区嵌套毛细铜管)和两端嵌套(栅区两端嵌套毛细铜管)两种封装方法开展了研究。从理论分析和有限元仿真的角度比较了传感器的增敏效果，前后结果一致。制备了传感器实物并进行了温度、应力和对比实验。仿真实验结果表明，该模型下FBG传感器能提高约7.5%的灵敏度。温度实验表明第二种封装结构的温度反馈相关系数R2达到了0.99948，在30 ℃∼80 ℃范围内呈现良好的线性度；应力实验的相关系数R2也达到0.99924，灵敏度为6.14 pm/MPa，在该实验搭建的解调系统下精度达到0.05 MPa，可以快速、精确地解调应力。对比实验表明，光栅解调仪组成的监测系统比应变片组成的监测系统具有更高的精度，最大偏差值减小了59.8%。嵌套毛细铜管的金属化方式结合有机胶固定的封装结构简单、灵敏度和精度高，可以满足大型工程机械表面无损实时健康监测的需求。 关键词：光纤布拉格光栅；磁控溅射；温度传感器；应力传感器
中图分类号：TP253；TP212 文献标志码：A
张燕君，高海川，张龙图，等. 毛细铜管封装的内嵌式镀金光纤布拉格光栅温度和应力传感器[J]. 光电工程，2021，48(3): 200195 Zhang Y J, Gao H C, Zhang L T, et al. Embedded gold-plated fiber Bragg grating temperature and stress sensors encapsulated in capillary copper tube[J]. Opto-Electron Eng, 2021, 48(3): 200195
Embedded gold-plated fiber Bragg grating temperature and stress sensors encapsulated in capillary copper tube
中华虎凤蝶
Zhang Yanjun, Gao Haichuan, Zhang Longtu, Liu Qiang, Fu Xinghu*
School of Information Science and Engineering, Yanshan University; the Key Laboratory for Special Fiber and Fiber Sensor of Hebei Province, Qinhuangdao, Hebei 066004, China
Abstract:In order to realize the non-destructive and real-time dynamic stress monitoring method of the construction machinery surface in complex and harsh environments, a fiber Bragg grating (FBG) stress sensor packaging method
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收稿日期：2020-05-30；收到修改稿日期：2020-09-24
基金项目：国家海洋局多功能海洋风电安装平台创新示范项目；国家自然科学基金资助项目(A030802)；燕山大学基础研究专项课题培育课题(16LGY017)
作者简介：张燕君(1973-)，女，博士，教授，主要从事光纤传感与信号处理的研究。E-mail：***************
通信作者：付兴虎(1981-)，男，博士，教授，主要从事特种光纤及其传感技术、微纳光纤器件及应用的研究。
E-mail：****************
版权所有○C2021中国科学院光电技术研究所
based on magnetron sputtering technology is proposed. Two packaging methods of complete embedding (the ca-pillary copper tube embedded in the entire grating area) and two sides embedding (capillary copper tube nested at both ends of the grating area) are studied. The sensitization effect of the sensor is analyzed from the perspective of theory and finite element, and the results are consistent. The physical sensors are made, and temperature, stress, and comparison experiments are carried out. Simulation and experiment show that the FBG sensor improves the sen
sitivity by about 7.5% under this model. The temperature experiment shows that the temperature feedback cor-relation coefficient R2 of the second package structure reaches 0.99948, which shows good linearity in the range of 30 ℃∼80 ℃; the stress experiment correlation coefficient R2also reaches 0.99924, and the sensitivity is 6.14 pm/MPa. The accuracy of demodulation system reaches 0.05 MPa, it can demodulate stress quickly and accurately. Comparative experiments show that the monitoring system composed of grating demodulator has higher accuracy than the monitoring system composed of strain gauges, and maximum deviation value smaller 59.8%. The packag-ing structure of metallization method of embedded capillary copper tube combined with organic glue fixed is simple, high sensitivity, and precision, can meet the needs of large-scale construction machinery surface non-destructive real-time health monitoring.
Keywords: fiber Bragg grating(FBG); magnetron sputtering; temperature sensor; stress sensor
1 引言
传统的电磁式应力监测装置体积大、易受电磁干扰，无法胜任复杂环境。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating，FBG)作为一种新型的光学测量元件，体积小、抗电磁干扰、结构简单及易更换等优点，可对大型工程机械进行实时监测，广泛应用于土木工程[1-4]、机械设备[5]、医学[6-7]、航空航天[
8-10]、资源开采和输送[11-12]、地质[13]和结构[14]的监测、基建的安全监测[15]等各领域中[16]。经过多年发展，布拉格光栅传感器的结构和形式已经多种多样[17]。有机胶固定的玻璃、陶瓷的管式封装[6-7]技术被用于测量温度，但其灵敏度均较低，有机胶固定方便快捷，但长期疲劳作用下容易老化、产生蠕变；激光焊接的石英套管封装技术[18]、TIG焊接的金属封装技术[19]，解决了高温下聚合物粘结材料的不稳定问题，但若用焊接技术将传感器固定于待测物表面时，一定会损坏待测物表面结构，会对大型工程机械的作业安全埋下隐患；利用激光焊接将金属化后的光纤光栅封装在不锈钢基质中[20]或特殊设计的基体上[21]，同样存在上述问题。将布拉格光栅封装于金属基质中可以显著提高布拉格光栅的机械强度，也会提高传感器的灵敏度；但普通金属在恶劣环境下容易腐蚀，长期可靠性较差，且制作过程过于复杂。若待测物表面不允许有任何损坏且不采用埋入式封装，文献中的焊接技术将无法使用。基于上述问题，需要探索出一种实用、安装便捷且能保持待测物表面无损的光纤光栅传感器封装方法。
光栅金属化封装技术方兴未艾，其中真空蒸发镀膜技术[22]较为成熟。利用气相沉积技术，通过电阻丝加热将待镀金属蒸发，金属蒸汽遇到低温材料冷凝制成，其成膜方法简单，膜纯度和致密度高，成膜结构及其性能优良，该技术较成熟但不能控制镀层厚度。磁控溅射技术[23]是在高压和真空作用下，溅射气体发生电离，带正电的离子在电场的作用下轰击待镀金属，使部分表面原子或分子被轰击出来，从而沉积在施镀件上，溅射技术电子动能比蒸镀大很多，所以成膜致密性好、纯度高，而且可
以通过控制溅射时间控制膜的厚度。化学镀膜技术是通过化学反应将待镀金属镀在施镀件上，该技术原理简单，但逐渐被蒸镀和溅射技术所取代。陈伟民团队提出一种基于超级电镀的金属化封装工艺，该方法将固定基片和光栅传感器整体置于电镀装置中，形成的金属镀层致密度高，传感器具有较高的灵敏度、一致性和重复性。王欢等[24]提出了一种黄铜管封装光纤准直器的非本征法珀温度传感器，有效地提高了光纤传感器的灵敏度和分辨率。基于所提出的实际问题以及布拉格光栅传感器封装的现状，综合考虑了不同传感器结构和光栅金属化技术的优缺点，本文采用了磁控溅射技术结合圆铜管，利用有机胶固定，设计了两种不同的传感器封装结构。采用磁控溅射技术制作的金镀层有效地解决了普通镀层在恶劣环境下的腐蚀问题，同时兼具金属化封装技术的高灵敏度、优良重复性等优势。圆铜管封装光纤传感头能一定程度上增加灵敏度。有机胶固定起到了保护待测物表面结构的作用，同时兼顾经济效益和可更换性。因此，本文所设计的布拉格光栅传感器灵敏度较高，线性度好，经济实用，为工程机械的实时健康
监测提供了有力的技术支持。 2 传感器制备
实验制备了两种封装结构，首先采用相位掩膜法自制了光纤布拉格光栅。因Au 不易与光纤材料相粘结，故先将预制好的光栅利用磁控溅射镀膜技术把一层极薄的介质镍镀上，待其冷却后，再采用磁控溅射镀金防护层，达到了增加传感器机械强度及增加灵敏度的目的。金的理化性质极其稳定，但是造价较高，综合平衡后决定将金镀层的厚度控制在几个微米左右。为了增加传感器的灵敏度，提出在布拉格光栅外嵌套外径约1.5 mm 的毛细铜管，内部填充铜粉，利用激光焊接使铜与光纤耦合达到密封管口的目的，同时小铜管也方便了传感器的固定。布拉格光栅传感器示意图如图1所示。
为研究毛细铜管的最佳安装位置，实验设计了两种不同位置的封装结构。第一种将长度9 mm 的小铜管套在布拉格光栅的整个栅区，称为完全嵌套，内部填充铜粉，填充物有利于光栅保持原位，受弯曲应力时反射谱不至于失真。第二种结构将两个长度5 mm 的毛细铜管固定于光栅的两端，称为两端嵌套，同样采用激光焊接固定毛细铜管。制备好的两种光纤布拉格传感器实物如图2所示。
3 理论及仿真分析
假设一根直径为D ，长度为L 的等强度轴受外力产生弯曲应变，图3(a)、3(b)分别表示普通封装的光纤传感器和嵌套毛细铜管的光纤传感器示意图。
郑州大学此时等强度轴产生极小的弯曲角度θ，假设中间部分长度不变仍为L ，上下表面长度分别变为+ΔL L 、
L L −Δ，计算得到：
拉尔夫 斯坦曼
=2πL rθ , (1)
+Δ=+2ππL L rθDθ , (2) −Δ=−2ππL L rθDθ , (3)
式中：r 是轴产生的弯曲半径，θ是轴的弯曲角度。故
Δ=πL Dθ，应变定义式为
Δ=
l
εL
, (4) 式中：Δl 是待测物的长度变化量，L 是待测物原来的
长度。对于普通封装的光纤布拉格传感器，一般单模光纤直径仅为125 μm ，对测量结果影响很小，此处忽略光纤直径起到的增敏作用，图3(a)的应变经计算为
=12D
εr
。 (5)
对于嵌套毛细铜管的光纤布拉格传感器，图3(b)所示，经过计算它的应变为
图1 光纤光栅传感器示意图
Fig. 1 The diagram of fiber grating sensor
Fiber grating Gold
Nickel
Capillary copper tube Fiber grating
Copper powder
Capillary copper tube Nickel
Gold
Copper powder
杨不管事件
(a)
(b)
图2 传感器实物图
Fig. 2 The physical photo of sensors
+=
22D d
εr
, (6) 式中d 为光栅传感器圆铜管的直径。经过计算，嵌套铜管的传感器的应变灵敏度相对于普通封装的传感器提高了
=d
ωD
。 (7)
由弹性力学知识可知，等强度轴的应变量ε和挠
度y 分别为
3
6x
L
εED =
F , (8) 34
6x
L y ED =F , (9) 其中：E 为等强度轴的弹性模量，F 为轴中部的作用力，D x 为光纤光栅到轴远端的径向距离(对于图3(a)中D x =D ，图3(b)中D x =D+d )。联立式(8)和式(9)可得轴表面的应变计算公式
=2
x D εy L 。 (10)
而变形后等强度轴测量点的挠度又可以表示为
=−cos
2
θ
y r r 。 (11) 将式(11)代入式(10)得到
=
−2
聚甲醛
(1cos 2x D r
θ
εL 。 (12)
由光纤布拉格光栅的传感原理有如下表达式
Δ=+ΔB
B
εT λK εK T λ , (13) 式中：=−1εK P 为应变灵敏度系数(P 为光纤光栅的弹光系数)，K T 为温度灵敏度系数，由于应变实验均控制室内温度不变，故ΔT =0，将式(12)代入式(13)，得：
Δ=−−B 2B (1cos )2x D r λθ
P λL
。 (14) 从数学角度分析，对于此种封装结构的传感器，其在测量弯曲应变时灵敏度提升与参数d 、D 有关，而D 为待测物固定参数，故要想提高传感器的灵敏度，适当增加毛细铜管的直径是唯一的途径。而从弹性力学的角度分析，当待测物发生一定的弯曲产生应变后，等强度轴的r 、L 、θ均稳定后，对于图3(a)、3(b)两种封装结构的传感器，式(14)中D x 的值是两种结构唯一的区别，因此图3(b)所示结构波长飘移会大一些，所以灵敏度也会有所提高。为了进一步验证理论分析结果，使用有限元分析软件ANSYS Workbench 19.2进行如下仿真分析。
建立一个直径20 mm ，长度200 mm 的圆柱作为待测物模型，其上方直径为1.5 mm ，长度9 mm 的小圆柱作为简化后的毛细铜管，中间为直径125 μm 的光纤及光栅，最外层为胶粘剂模型。将模型导入仿真软件，网格划分及结果如图4所示。
将仿真模型参数D 、d 代入式(7)，计算得到
ω=0.075，故理论上应变提升了7.5%。根据图4中所取两点，计算出仿真实验的ω=0.072，仿真实验应变提升7.2%，与理论计算结果相差0.3%。其中网格质量，模型简化和胶粘剂的涂覆方法等都是误差产生的因素。此误差在可接受范围内，仿真结果和理论分析基本一致，嵌套毛细铜管的传感器在保护光栅同时也在一定程度上提高了传感器灵敏度。
4 实验结果与分析
实验主要设备选择无锡布里渊电子科技有限公司生产的光纤光栅解调仪，产品型号FIS-WL-L14.1，自
图3 理论分析示意图。(a) 普通封装的传感器；(b) 嵌套铜管的传感器
Fig. 3 Theoretical analysis diagram. (a) Universally encapsulated sensor; (b) Embedded copper tube sensor
Universal FBGs
Steel tube
D
汉弗莱爵士L +ΔL
L
Steel tube
L +ΔL
L
Embeded FBGs
(a)
(b)
带激光光源，覆盖波段为1525 nm ∼1595 nm ，波长分辨率0.1 pm ，扫描频率1 Hz ；采用佰辉公司生产的恒温电热鼓风箱控制温度；采用INSTRON 公司生产的
5980双立柱落地式电子万能试验拉力机控制拉力；两个布拉格光栅传感器的中心波长均为1550 nm ，3 dB 带宽为0.15 nm ，反射率为97.58%。 4.1 温度实验
将封装好的传感器放入温控箱中，与光栅解调仪相连，光纤光栅解调仪与普通计算机使用网线连接，实验过程中温控箱升温至预设温度后保温3 min ，保证温控箱内温度均匀且传感器各部分温度一致，记录此时解调仪显示的光栅反射光谱，温度记录范围为
30 ℃∼80 ℃，每间隔5 ℃记录一次，30 ℃∼80 ℃称为一次循环，一次循环结束后，待温控箱自然降温至
室温后，再进行第二、三次循环，将所得实验数据导入数据处理软件，用最小二乘法分别拟合三次循环过程，得到拟合曲线如图5所示，将各温度测量点的三次反射波长取算术平均值，同样用最小二乘法拟合各点，得到拟合曲线如图6所示。
对于温度反馈实验，如图5(a)所示，完全嵌套封装的传感器具有良好的线性度，三次实验的线性相关系数R 2均达到0.99以上，但图5(b)反映出，两端嵌套封装的传感器的线性度更好，三次实验的线性相关系数R 2达到了0.999以上。对比图5(a)、5(b)，不管是完全嵌套的传感器还是两端嵌套的传感器都能达到较好的线性度，完全嵌套封装结构的灵敏度比两端嵌套封装结构灵敏度高，是因为相比两端固定方式，中心嵌套固定方式的铜管和填充物的热膨胀效应更明显，所以完全嵌套的封装结构灵敏度高于两端嵌套封装结
图5 三次温度循环实验下传感器的数据及拟合处理。(a) 完全嵌套传感器；(b) 两端嵌套传感器
Fig. 5 Sensor’s experimental date and fitting processing on three temperature cycle times.
(a) Sensor of whole embed; (b) Sensor of two sides embed
30
Temperature/℃
40
50
60 70 80
1550.01549.91549.8
1550.11550.21550.31550.41550.51550.61550.7
W a v e l e n g t h /n m
30
Temperature/℃ 40
50
60
70 80 1554.8 1554.6
1555.0 1555.2 1555.4 1555.6 W a v e l e n g t h /n m
(a)
(b) y =0.01307x +1549.5252 R 2=0.99975
y =0.01424x +1549.47052 R 2=0.99908
y =0.01389x +1549.52463 R 2=0.99901
y =0.01771x +1554.21309 R 2=0.99627
y =0.01815x +1554.15053 R 2=0.99747
y =0.01808x +1554.11348 R 2=0.9955
1th rising points 2th rising points 3th rising points 1th fitting curve 2th fitting curve 3th fitting curve
1th rising points 2th rising points 3th rising points 1th fitting curve 2th fitting curve 3th fitting curve
图4 有限元分析及应力云图
Fig. 4
Stress nephogram by finite element analysis
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