光纖光柵增敏封裝工藝及裝置研究現(xiàn)狀

李玉龍，溫昌金，趙 誠

(南昌大學機電工程學院江西省機器人及焊接自動化重點實驗室，江西南昌330031)

1 引言

光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)在光通信技術(shù)領(lǐng)域作為一種新型的無源器件，因其具有耐腐蝕、體積小、可實現(xiàn)多點式分布測量、不受光強波動影響、自參考的絕對測量、便于單光源波分復用和光集成等優(yōu)良特性，近年來國內(nèi)外對其進行了系統(tǒng)的研究。目前，F(xiàn)BG存在的諸如交叉敏感等問題已經(jīng)得到部分解決，其研究已經(jīng)進入實用化階段。美、日、歐等國家和地區(qū)已經(jīng)將FBG成功應用于航空航天、建筑工程、石油化工業(yè)、電力工業(yè)、智能機器人等領(lǐng)域［1－3］。

主要成分為SiO2的裸光柵細小質(zhì)脆，尤其是其抗剪能力很差，直接將其作為傳感器在工程實際應用中遇到了很多問題:例如，溫度、應變靈敏度低，容易損壞，布設工藝困難等。因此，必須對FBG進行增敏封裝保護。針對FBG應用中存在的問題，研究人員進行了相應的工作，報道了多種封裝方法及與其配合的裝置裝備。盡管解決了部分問題，但各種方法和裝置都存在各自的局限。例如，本文作者研究表明金屬保護溫度增敏靈敏度倍數(shù)偏低、中心波長穩(wěn)定性較差，而且金屬保護溫度增敏后壓力靈敏度有所降低;聚合物增敏的傳感器作為溫度傳感時，溫度響應速度慢，而且存在易老化等問題;結(jié)構(gòu)增敏存在工藝復雜等問題。因此，對FBG的增敏封裝進行深入研究對其工程實用化具有重要意義。

2 FBG傳感原理

FBG溫度、應變傳感基本原理:用激光干涉條紋側(cè)面輻照摻雜光纖技術(shù)在光纖內(nèi)部制作光柵，當光柵周圍的溫度、應變等發(fā)生變化時，將導致光柵周期或纖芯折射率變化，從而產(chǎn)生布拉格反射峰值波長漂移，通過檢測布拉格反射峰值波長漂移，即可獲得溫度、應變的變化量;由于FBG存在溫度、應變交叉敏感效應，測量時需進行溫度、應變補償。

2.1 溫度傳感模型

由耦合模理論可知，均勻周期FBG反射峰中心波長(布拉格波長)滿足［4］:

式中，neff為有效折射率;Λ為光柵周期。

由式(1)可知，布拉格波長是隨neff和Λ而改變的。當光柵所處的外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時，可導致FBG本身的溫度發(fā)生變化。由于光纖材料的熱光效應，光纖的折射率會發(fā)生變化;由于光纖材料的熱脹冷縮效應，光柵的條紋周期也會發(fā)生變化，從而引起neff和Λ的變化，最終導致光柵布拉格波長λB的漂移。漂移的幅度與溫度的改變量呈線性關(guān)系［5］:

式中，ΔλT表示溫度變化引起的λB的漂移幅度;ξ=(1/Λ)(Λ/T)為光纖材料的熱膨脹系數(shù);ξ=(1/neff)(?neff/?T)為光纖材料的熱光系數(shù);ΔT 為溫度變化量。對于石英光纖，α≈0.5×10－6/℃，ξ≈ 6.7×10－6/℃。

當FBG被粘貼于基底材料表面時，基底材料的形變和熱膨脹通過相互作用力作用于FBG，使其中心波長發(fā)生漂移。若用αs表示基底材料的熱膨脹系數(shù)，則此時FBG的溫度響應可表示為［6］:

式中，KT為溫度靈敏度系數(shù)，一般情況下裸光纖光柵的KT=6.72 ×10－6/℃;Pe=)［P12－ν(P11+P12)］為光纖的有效彈光系數(shù);其中P11和P12為光纖彈光系數(shù);υ為泊松比。

2.2 應變傳感模型

FBG不但具有溫度傳感特性外還具有應變傳感特性，即FBG的中心波長隨應力的變化特性。一方面是由于光柵介質(zhì)受應力作用從而引起折射率的變化，這種現(xiàn)象稱為彈光效應;另一方面介質(zhì)受應力作用其微觀質(zhì)點將發(fā)生位移，亦即改變了光柵的周期，總的作用結(jié)果是使光柵的中心波長發(fā)生漂移。漂移幅度與應變也呈線性關(guān)系［7］:

式中，ΔλS表示應變引起的λB的漂移幅度;Pe是光彈性常數(shù);Δε為應變幅度。對于石英單模光纖，Pe=0.22，當λB=1500 nm時，光柵的應變靈敏度系數(shù)為 1.29 pm/με。

2.3 溫度補償模型

FBG測量應用時，溫度、應變交叉敏感使FBG溫度傳感器不能直接反映溫度變化。為此，要進行溫度、應變補償，應使 ΔλT+ΔλS=0，或者寫成:

一般的，中心波長為1550 nm的FBG，其溫度靈敏度系數(shù)約為10.3 pm/℃，應變靈敏度系數(shù)為1.209 pm/με(或 －2.05 ×10－6MPa－1)。但是，由于光纖的差別、寫入光柵工藝的不同以及退火工藝的差別造成不同F(xiàn)BG的傳感靈敏度會有所差異。因為封裝材料的性能參數(shù)［8］(包括泊松比、彈性模量、熱膨脹系數(shù)及封裝厚度)與FBG的材料性能參數(shù)不一致，所以經(jīng)過封裝后的FBG，其溫度、應變傳感特性會因為封裝材料不同而受到不同程度的影響。

3 FBG封裝工藝及裝置

3.1 封裝材料和結(jié)構(gòu)

目前已研究的用于FBG封裝的材料較多，可分為兩大類，即金屬(鈦合金、不銹鋼、鋁合金等)和非金屬(聚合物、陶瓷等)。封裝材料的性能參數(shù)(包括泊松比、彈性模量、熱膨脹系數(shù)及封裝厚度)與FBG材料性能參數(shù)不一致，因此不同的封裝材料對FBG的溫度、應變傳感特性具有不同程度的影響。溫度靈敏度系數(shù)隨著熱膨脹系數(shù)、泊松比及封裝厚度的增大而增大。當希望溫度靈敏度系數(shù)增大時，應當選擇熱膨脹系數(shù)、泊松比較大的材料，而且封裝厚度要適當增加;但材料本身不是決定封裝增敏效果的唯一因素，使用相同的封裝材料，封裝過程采用不同處理工藝和不同封裝結(jié)構(gòu)，對FBG的傳感特性也會有不同影響。近年來，國內(nèi)外許多研究通過采用不同的材料及封裝方法對FBG進行了增敏封裝和保護，具有代表性的研究結(jié)果如表1所示。

表1 光纖光柵封裝技術(shù)研究成果

采用各種材料和結(jié)構(gòu)對FBG進行封裝以后，其傳感特性得到顯著提升:有的使溫度靈敏度得到提高，有的使應力應變靈敏度得到提高，也有的使兩者都不同程度的提高。從表1中的增敏數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論:(1)以金屬為封裝材料的FBG封裝工藝基本不改變FBG 應變靈敏度［9，13］，對FBG 溫度靈敏度有所提升，但是提升幅度相對于以聚合物為封裝材料的FBG要偏低。金屬封裝后的FBG，其溫度靈敏度系數(shù)可達到40.286 pm/℃［19］，而聚合物封裝 FBG后，其溫度靈敏度系數(shù)可達到237 pm/℃［34］。(2)聚合物封裝FBG雖然可以很大幅度提高其溫度、應變傳感特性，但存在聚合物易老化、使用壽命短、熔點低、適用溫度范圍小等缺陷。因此，如何解決金屬封裝增敏效果以及如何提高聚合物封裝FBG環(huán)境適應性有待進一步研究。(3)裸光柵中心波長穩(wěn)定，但是經(jīng)過封裝后的FBG在使用過程中存在中心波長穩(wěn)定性差的問題，對FBG在工程測量中可能會造成不良影響。

3.2 溫度增敏封裝

裸光纖光柵的溫度靈敏度約為0.1℃，溫度靈敏度偏低。因此，需要對其進行適當?shù)姆庋b，提高其溫度靈敏度。1995年，Inoue等人［35］首先將FBG粘貼在鋁片上進行溫敏實驗，增敏效果不顯著。同年，G.W.Yoffe等人［36］提出了采用二氧化硅毛細管與鋁合金毛細管雙層封裝FBG的方法，并進行實驗研究。2000年，劉啟云等人［37］利用聚合物材料封裝光柵的方法提高FBG的分辨力，使溫度傳感器的分辨力達到0.3℃。2001－2004年，Li X.C.等人［38］采用激光燒結(jié)的方法將金屬涂層保護下的FBG嵌入不銹鋼基體，進行了250℃以下的溫度傳感測試。從2005年起，本實驗室研究小組研究了光纖金屬化保護方法，建立了金屬化保護條件下的傳感模型，分別采用釬焊和超聲波焊的方法成功的將FBG嵌入42CrMo鋼和鋁合金中［39－42］，封裝后 FBG 溫度靈敏度顯著提高。系統(tǒng)研究了鍍層厚度對FBG溫度傳感特性的影響，在研究中發(fā)現(xiàn)，由于鍍層與光柵之間的直接接觸引起的接觸應力造成波長穩(wěn)定性降低。針對這一新的問題，本文作者提出了封裝后FBG中心波長穩(wěn)定性差的解決方法，并正在進行深入研究。

根據(jù)封裝材料及結(jié)構(gòu)特點，F(xiàn)BG封裝增敏主要分為金屬結(jié)構(gòu)封裝增敏、非金屬封裝增敏以及復合式封裝增敏。

3.2.1 金屬結(jié)構(gòu)封裝增敏

1)金屬管式封裝增敏。張燕君等人［9］提出了一種FBG的毛細鋼管封裝工藝，通過材料力學多功能實驗臺和恒溫箱對其應變與溫度傳感特性進行了研究，結(jié)構(gòu)如圖1所示。結(jié)果表明，與裸光柵相比，毛細鋼管封裝工藝基本不改變FBG的應變靈敏度，溫度靈敏度達到28.9 pm/℃，約為裸光纖光柵的2.7倍，且線性度、重復性良好，為FBG在溫度測量領(lǐng)域的應用提供了一個很好的封裝方法。

圖1 光纖光柵毛細管封裝示意圖［9］

2)金屬片狀封裝增敏。于秀娟等人［13］采用鈦合金對FBG進行片狀封裝，結(jié)構(gòu)如圖2所示。提出了FBG鈦合金片封裝工藝，理論分析了應變和溫度傳感特性，通過實驗進行了驗證。結(jié)果表明，與裸FBG相比，鈦合金片封裝方法基本不改變FBG應變靈敏度;溫度靈敏度系數(shù)提高到19.76 pm/℃，為裸光柵的1.76倍;經(jīng)過鈦合金片封裝后的FBG可以探測到1 με的應變變化和0.05℃的溫度變化。這種封裝結(jié)構(gòu)簡單、易操作，但是溫度靈敏度提高幅度不大，有待進一步研究，使其增敏效果顯著提高。

圖2 鈦合金片封裝FBG示意圖［13］

3)金屬鍍層封裝增敏。本文作者在前人研究的基礎(chǔ)上提出了采用化學鍍和電鍍相結(jié)合的方法［14，41］對FBG進行鍍銅、鍍鎳及化學復合鍍金屬化保護。對鍍層和光柵之間的結(jié)合力、鍍層的可焊性、導電性進行了系統(tǒng)研究，并得到隨著鍍層厚度的增加，對FBG溫度傳感器的增敏效果也增加。當鍍層厚度達到337.5 μm時，溫度靈敏度系數(shù)達到25.86 pm/℃。金屬鍍層保護之后，再采用釬焊方法［14］將FBG嵌入42CrMo中;采用超聲波焊方法［41］將鍍鎳FBG嵌入鋁合金薄片中。研究結(jié)果表明，先對FBG金屬鍍層保護，再將其嵌入金屬材料中，其溫度靈敏度得到顯著提高。該金屬化保護過程操作簡單，成本低，能有效地保護FBG并提高其溫度靈敏度。目前，本實驗室研究小組正在進行對FBG鍍鋅封裝，研究結(jié)果表明，鍍鋅FBG溫度靈敏度可達到50 pm/℃以上。

3.2.2 聚合物封裝增敏

Toru Mizunami等人［31］采用熱膨脹系數(shù)大的有機聚合物為封裝材料，將中心波長為1.55 μm的FBG封裝在兩塊有機聚合物基板中間，結(jié)構(gòu)如圖3所示。實驗溫度由77 K到300 K。研究表明，兩塊聚合物封裝的FBG當溫度為77 K時，溫度靈敏度系數(shù)為39 pm/℃，是相同溫度條件下，PPMA基板封裝FBG的1.5倍、鋁合金封裝FBG的2倍;當溫度為300 K時，溫度靈敏度系數(shù)高達150 pm/℃。用單塊聚合物封裝，與兩塊聚合物封裝相比，溫度靈敏度系數(shù)下降5%。實驗數(shù)據(jù)與理論計算值比較，兩者相吻合。這種封裝工藝簡單、成本低、增敏效果好，但是聚合物存在易老化等問題，使封裝的FBG使用壽命較短。

圖3 聚合物封裝FBG的結(jié)構(gòu)圖［31］

3.2.3 復合式封裝增敏

與金屬封裝相比較，聚合物封裝大幅度提高溫度靈敏度，并且制作工藝簡單，成本低廉，易于實現(xiàn)。這是因為聚合物具有更大的熱膨脹系數(shù)，但是由于聚合物本身的其他性質(zhì)，如存在易老化、使用壽命短、熔點低、適用溫度范圍小等缺陷，使得聚合物封裝的FBG使用環(huán)境受到限制。為了保留聚合物封裝與金屬封裝各自的優(yōu)點，研究人員提出了一種金屬與聚合物復合式封裝增敏方法。

孫安等人［24］采用向金屬管中注入高熱膨脹系數(shù)的液體聚合物，并添加穩(wěn)定劑以及抗老化劑。管內(nèi)留有一定的空間裕度，使聚合物材料的熱膨脹性能不受影響，然后對光纖光柵進行灌封，最后高溫固化5 h。經(jīng)過這種封裝后，F(xiàn)BG可實現(xiàn)20～80℃范圍內(nèi)對溫度高靈敏測量。研究結(jié)果表明，聚合物填充金屬管復合封裝的FBG傳感器溫度響應靈敏度在20～130℃為 50 pm/℃，在 130～180℃達到了220 pm/℃，并在兩個區(qū)域保持較好的重復性。此結(jié)構(gòu)傳感器封裝工藝簡單，易于實現(xiàn)，可用于高溫惡劣環(huán)境下的溫度單參量測量，然而溫度傳感特性線性度不好。

3.3 應力應變增敏封裝

裸光柵壓力靈敏度較低，在70 MPa的高壓下，裸光柵中心反射波長僅漂移了0.22 nm［43］，壓力靈敏度系數(shù)僅為 －1.98 ×10－6MPa－1，這給信號檢測帶來了不便，制約了光柵在壓力測量中的應用。一直以來，國內(nèi)外研究人員就如何提高FBG壓力靈敏度進行了大量研究，而且取得了很大的進展。1996年，M.G.Xu等人［32］將 FBG固定于中空的玻璃球結(jié)構(gòu)中，使其壓力靈敏度提高了一個數(shù)量級，壓力靈敏度系數(shù)提高到－21.2×10－6MPa－1，但這種方法存在FBG在壓縮過程中容易損壞的缺點，因此具有一定局限性。隨后，Liu Qiyun等人［6］提出了一種新的FBG聚合物封裝方法，進行了壓力傳感測試，結(jié)果表明FBG壓力靈敏度得到顯著提高。2004年，B.K.A.Ngoi等人［26］采用硅橡膠對FBG進行封裝，并進行了測應力和波長漂移關(guān)系的測試，同時應用ANSYS進行模擬。2007年，Hanidreza等人［44］將中碳鋼塊加工出方形空腔，在空腔中澆鑄Sn－Pb合金，在鑄造的過程中將FBG埋入中碳鋼中，進行了應力和波長漂移關(guān)系的測試。2012年，楊吉祥等人［45］利用復合材料封裝FBG，在霍普金森壓桿上對封裝前的裸光柵和封裝后的FBG應變傳感器分別進行了高速沖擊試驗，試驗表明:封裝后的FBG傳感器的瞬態(tài)響應上升時間小于20 μs，具有良好的動態(tài)響應特性，可以用于工程中混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)高速沖擊下的動態(tài)應變測試。

FBG傳感器的增敏效果主要取決于封裝材料和封裝工藝。根據(jù)封裝材料特點，F(xiàn)BG應變增敏的封裝方式主要有金屬管材封裝增敏和聚合物封裝增敏。

3.3.1 金屬管材封裝增敏

Liu Lihui等人［18］采用向銅管中注入有機聚合物對FBG經(jīng)行封裝，如圖4(a)所示。封裝前對FBG施加預應力，避免因聚合物收縮凝固造成啁啾效應。實驗研究了FBG的應變傳感特性，如圖4(b)所示。結(jié)果表明，封裝后的FBG應變靈敏度提高到 －2.44×10－3MPa－1，約為裸光柵的 1200倍;避免了溫度和應變的交叉敏感問題，得到與溫度無關(guān)的FBG壓力傳感器。這種封裝應變增敏效果好，別無啁啾效應。

圖4 FBG的封裝結(jié)構(gòu)及應變特性測試［18］

3.3.2 聚合物封裝增敏

Wen Qingzhen等人［30］采用楊氏模量為9.0×106MPa、泊松比為0.49的聚合物(PP－1)封裝FBG壓力傳感器，封裝結(jié)構(gòu)如圖5所示。并且合成了從羥基封端從羥基封端的聚環(huán)氧丙烷低聚物，甲苯二異氰酸酯(TDI)，1，4－丁二醇作為擴鏈劑、催化劑、泡沫劑和泡沫穩(wěn)定劑。結(jié)果表明，封裝后的FBG的應變靈敏度系數(shù)提高到裸光柵的558倍，即應變靈敏度系數(shù)為－1.10×10－3MPa－1。實驗數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果(－1.73×10－3MPa－1)較吻合，并且中心波長與應變具有良好的線性度。

圖5 PP－1封裝FBG結(jié)構(gòu)示意圖［30］

3.4 溫度補償封裝

由于FBG對溫度和應變存在交叉敏感的問題，當FBG作為應變傳感器時，需要對FBG進行溫度補償。因此，如何通過封裝消除溫度、應變的交叉敏感問題，對于光纖光柵的實際應用具有重要意義。近幾年來，研究人員對FBG交叉敏感問題進行了大量研究。1991年，美國的William W.Morey等人［46］申請了一種溫度補償裝置專利。2000年，Sungchul Kim等人［47］研究了FBG溫度、應變交叉敏感問題，提出了相應的解決對策，研制了與溫度無關(guān)的FBG壓力傳感器。2002－2003年，Yu-Lung Lo等人［48］提出無需預加載機構(gòu)對FBG進行金屬鍍層封裝，進行了溫度應變傳感實驗，實驗結(jié)果表明溫度補償效果良好。2006年，Y.S.Hsu等人［49］提出了一種新的對溫度不敏感的壓力傳感測量裝置，實驗表明壓力靈敏度得到顯著提高，并且在10～60℃期間中心波長對溫度不敏感。在前人的研究基礎(chǔ)上，Wentao Zhang等人［50］提出了一種新型的具有溫度補償功能的FBG壓力傳感器，結(jié)構(gòu)如圖6所示。通過實驗對FBG的應變特性進行了測試，結(jié)果表明，應變靈敏度達到93.7 pm/με;溫度靈敏度為 20 pm/℃，在應變測量時，溫度引起的波長漂移得到很好的補償。

圖6 FBG應變傳感器結(jié)構(gòu)［50］

3.5 封裝裝置

封裝裝置是實現(xiàn)FBG保護、增敏封裝的重要因素，一個結(jié)構(gòu)設計良好的封裝裝置能使封裝增敏效果更佳，同時也能降低封裝成本。因此，深入研究FBG封裝裝置，以提高光纖光柵中心波長的穩(wěn)定性和重復性，是近幾十年來研究人員的主要工作。美國的 Morey 等人［46］(1991 年)、Lemaire 等 人［51］(1998年)分別申請了一種無源式、通過封裝材料的長度變化改變光纖光柵所受應力而使之抵消由折射率變化產(chǎn)生的影響，從而達到溫度補償?shù)男Ч臏囟妊a償裝置專利。2004年，歐進蘋等人［52］申請了毛細管式封裝裝置專利。其裝置能夠保證光纖光柵在毛細管內(nèi)很好的與軸線對中，且具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便等優(yōu)點。2007年，歐攀等人［53］申請了一種光纖光柵溫度補償裝置專利。該裝置設計了對FBG施加預應力的機構(gòu)，補償了溫度變化對FBG造成的影響。2008年，喬學光等人［54］申請了一種新的封裝裝置國家專利。該裝置也設計了施加預應力機構(gòu)，通過在對FBG施加預應力的情況下進行高溫固化封裝，從而達到所封裝的FBG傳感器無啁啾和波形畸變現(xiàn)象，保證了傳感器的重復性和線性度。

以上各種封裝裝置都能實現(xiàn)對FBG進行封裝，且結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，操作方便。然而，由于其結(jié)構(gòu)簡單，依靠手工操作，尤其是對FBG施加預應力時，手工操作難以保證施加應力的精確度，這樣會給溫度補償帶來誤差。為了避免人為因素產(chǎn)生的誤差，進一步研究封裝裝置使其施加預應力機構(gòu)實現(xiàn)智能控制，是今后研究封裝裝置的一個新方向。

4 結(jié)束語

本文從封裝材料(金屬和非金屬)、封裝結(jié)構(gòu)及裝置等方面總結(jié)了國內(nèi)外FBG增敏保護封裝工藝的研究進展，對各自優(yōu)缺點進行了分析和討論。通過采用不同的封裝材料和封裝結(jié)構(gòu)及裝置，F(xiàn)BG傳感器的溫度、應力應變靈敏度可分別從10.3 pm/℃提高到 237 pm/℃、從 － 2.05 ×10－6MPa－1提高到－2.2×10－2MPa－1，甚至更高，量程也可從幾千帕提高到上百兆帕。其中，利用聚合物封裝的FBG的溫度、應力靈敏度提高幅度較其他材料封裝的更高，這樣使得FBG能夠探測到更小的溫度、應變變化;聚合物存在易老化等問題，使聚合物封裝的FBG使用壽命短，動態(tài)響應速度慢。利用金屬結(jié)構(gòu)對FBG進行封裝，可以使FBG具有更廣的溫度適應范圍，動態(tài)響應速度快，但是其封裝結(jié)構(gòu)復雜、增敏幅度有限。各種封裝工藝除了各自獨特的優(yōu)缺點外，還具有共同的不足之處，即與裸光柵相比，各種封裝后的FBG仍存在溫度、應變交叉敏感效應以及中心波長穩(wěn)定性變差等問題。因此，今后研究FBG封裝工藝有待解決的問題有:(1)如何提高聚合物FBG的使用壽命和動態(tài)響應速度，擴大服役溫度范圍;(2)如何提高金屬結(jié)構(gòu)封裝FBG增敏效果，怎樣解決金屬鍍層保護后FBG中心波長不穩(wěn)定的問題;(3)如何消除溫度、應變交叉敏感效應;(4)研制新型封裝結(jié)構(gòu)，使其易操作，控制精度高。針對這些問題，國內(nèi)外許多科研人員正在采取各種方案對其系統(tǒng)研究。本文作者正在針對金屬化封裝中出現(xiàn)的增敏幅度低、中心波長穩(wěn)定性差等問題進行深入研究。

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