光纖光柵傳感器功能型封裝技術(shù)研究

 光纖光柵是一種新型之光無源器件，它通過在光纖軸向上建立周期性之折射率分布來改變或控制光在該區(qū)域之傳播行為和方式。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：其中，具有納米級折射率分布周期之光纖光柵稱為光纖布喇格光柵（即FBG，若非特別聲明，下文中之光纖光柵均指光纖布喇格光柵）。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：光纖光柵因具有制作簡單、穩(wěn)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(gòu)成網(wǎng)絡(luò)等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于光傳感領(lǐng)域。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為： 

     經(jīng)過近十幾年來之研究，光纖光柵之傳感機(jī)理己基本探明，用于測量各種物理量之多種結(jié)構(gòu)光纖光柵傳感器己被制作出來。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：目前，光纖光柵傳感器可以檢測之物理量括溫度、應(yīng)變、應(yīng)力、位移、壓強(qiáng)、扭角、扭知(扭應(yīng)力)、加速度、電流、電壓、磁場、頻率及濃度等。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為： 

     由于裸之光纖光柵直徑只有 ，在惡劣之工程環(huán)境中容易損傷，只有對其進(jìn)行保護(hù)性之封裝(如埋入襯底材料中)，才能賦子光纖光柵更穩(wěn)定之性能，延長其壽命傳感器才能交付使用。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：同時(shí)，通過設(shè)計(jì)封裝之結(jié)構(gòu)，選用不同之封裝材料，可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，應(yīng)力和溫度之增敏等功能，這類%26ldquo;功能型封裝%26rdquo;之研究正逐漸受到重視。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為： 

1、 溫度減敏和補(bǔ)償封裝 

     由于光纖光柵對應(yīng)力和溫度之交叉敏感性，在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常在應(yīng)力傳感光柵附近串聯(lián)或并聯(lián)一個(gè)參考光柵，用于消除溫度變化之影響。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：這種方法需要消耗更多之光柵，增加了傳感系統(tǒng)之成本。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：若用熱膨脹系數(shù)極小且對溫度不敏感之材料對光纖光柵進(jìn)行封裝，將很大程度上減小溫度對應(yīng)力測量精確性之影響。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為： 

     另外，采用具有負(fù)溫度系數(shù)之材料進(jìn)行封裝或設(shè)計(jì)反饋式機(jī)構(gòu)，可以對光纖光柵施加一定應(yīng)力，以補(bǔ)償溫度導(dǎo)致之布喇格波長之漂移，使 之值趨近于0。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：對于封裝之光纖布喇格光柵而言，其波長漂移 與應(yīng)變 和溫度變化 之關(guān)系式可表示為式(1),基于彈性襯底材料之光纖光柵溫度補(bǔ)償關(guān)系，實(shí)驗(yàn)表明，采用負(fù)溫度系數(shù)之材料對光纖光柵進(jìn)行封裝，可以在0－100 ℃溫度區(qū)獲得波長變化僅為0.08nm之溫度補(bǔ)償效果。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為： 

2、應(yīng)力和溫度之增敏封裝 

     光纖布喇格光柵之溫度和應(yīng)變靈敏度很低，靈敏度系數(shù)分別約為0。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：01 nm/℃和 ，難以直接應(yīng)用于溫度和應(yīng)力之測量中。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：對光纖光柵進(jìn)行增敏性封裝，可實(shí)現(xiàn)微小應(yīng)變和溫度變化量之%26ldquo;放大%26rdquo;，從而提高測量精度，同時(shí)，亦使傳感器之測量范圍得以擴(kuò)展。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為： 

2．1溫度增敏封裝 

     選用大熱膨脹系數(shù)材料 作為襯底材料，可設(shè)計(jì)出不同類型之溫度增敏傳感器。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：研究表明，選用有機(jī)材料、金屬或合金等材料可以較大地提高光纖光柵之溫度靈敏度系數(shù)，如用一種熱膨脹系數(shù)很大之混合聚合物對光纖光柵進(jìn)行封裝，在 ℃范圍內(nèi)可將光纖光柵之溫度靈敏度提高11.2倍。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為： 

2．2應(yīng)力增敏封裝 

     用楊氏模量較小之材料對光纖光柵進(jìn)行封裝后將傳感頭置于應(yīng)力場中，由于基底材料與光柵緊密粘接，產(chǎn)生較大應(yīng)變之基底材料將對光柵產(chǎn)生帶動(dòng)作用，增加光柵之軸向應(yīng)變，從而增加布喇格波長之漂移量，使光纖光柵傳感器具有更大之應(yīng)力靈敏度。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為： 

3、其它功能型封裝 

     通過設(shè)計(jì)不同之封裝方式和外場施加方式，可以使光纖光柵實(shí)現(xiàn)更多之功能。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：將光纖光柵分段嵌入兩種不同之基底材料中，由于兩段光柵將具有不同之應(yīng)力和溫度靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力之同時(shí)測量，從而解決了應(yīng)力溫度之交叉敏感問題；如果基底材料之橫截而積沿光纖方向呈梯度分布，對基底施加軸向應(yīng)力時(shí)，光柵將受到應(yīng)力梯度之作用，光纖布喇格光柵轉(zhuǎn)化可調(diào)諧啁啾光柵，此裝置有望應(yīng)用于光纖之色散補(bǔ)償中。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

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