光纤Bragg光栅传感器传感原理及常见结构

2010年7月 Infrared Technology July 2010

光纤Bragg 光栅传感器传感原理及常见结构

李天星，李 川，孟 磊

（昆明理工大学信息工程与自动化学院 云南 昆明 650051）

摘要：根据光纤Bragg 光栅传感器的传感原理，以光纤光栅传感器的的常用结构-悬臂梁结构，柱式力

结构，膜片式结构，复合材料柔性结构，聚合物封装结构为例对光纤光栅传感器封装方法、使用范围以及各种结构的优缺点做了分析，并根据实际经验介绍了光纤光栅传感器断点的保护方法。 关键词：光纤光栅传感器；结构；封装

中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：1001-8891(2010)07-0392-03

The Sensing Principle and Structure of Fiber Bragg Grating Sensor

LI Tian-xing，LI Chuan，MENG Lei

(Kunming university of science and technology, Kunming 650051, China )

Abstract ：The packaging method, using condition and the advantages and disadvantages in fiber bragg grating sensor are analyzed based on fiber bragg grating principle by the way of examples such as cantilever structure, column force structure, membrane structure, composite flexible structure, and polymer packaging structure. The protection method on breakpoint is introduced based on actual experience. Key words ：fiber bragg grating sensor，structure ，packaging method

大桥监测[5]，瑞士的Mont-Terri 隧道监测[6]等。但FBG

引言

直径只有125 μm ，裸FBG 特别脆弱，必须采取一定的保护措施。本文主要就常用光纤Bragg 光栅传感器1978年，K.O.Hill 等人发现了光纤的光敏性，并

的常见结构及封装方法做一简单综述。 采用驻波干涉法制成了第一支光纤光栅（Fiber Bragg

Grating ），从而导致了光纤光栅的新型无源器件的出

1 光纤Bragg 光栅传感原理

现[1]。随后1989年美国的Meltz 等人发明的紫外侧写入技术，可以制作出任意光栅周期的光纤光栅，从此光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射

[2]

光纤光栅得到迅速发展。1993年K.O.Hill 研究组和率调制周期以及纤芯折射率有关。当宽带光源入射到

布喇格光栅时，会因折射率的改变而折射、透射或反美国AT&T中Bell 实验室的D.Z.Anderson 等人[3]几乎

射，其中反射要符合布喇格条件，即光的反射波长要同时提出相位掩膜写入法，目前这种方法已成为最广

满足下列光纤方程[7]： 泛的光纤光栅写入法。国内的大学如清华大学、哈尔

滨工业大学、武汉理工大学、重庆大学、南开大学、 λB ＝2n eff Λ (1) 北京交通大学、香港理工大学、天津大学、昆明理工式中：λB 为光纤Bragg 光栅中心波长；n eff 为光纤芯大学等对光纤光栅传感器的应用研究非常重视，得到区有效折射率；Λ为布喇格光栅周期。由式(1)可知，了系列研究成果。 光纤布拉格光栅的布拉格波长随着n eff 和Λ的改变而

光纤Bragg 光栅传感器采用非电量测量方法，具改变[8]，任何使n eff 和Λ发生改变的物理过程如外界有测量信号稳定，绝对测量无固定参考点要求，易在力、热负荷等都将使导致光纤Bragg 光栅的反射或透实现一根光纤上串接实现波分复用等一系列优良光射峰波长漂移。通过对Bragg 波长反射或透射光谱的学特性，因而得到了较快的发展[4]。目前广泛应用于检测，实现温度量或应变量的绝对监测。系统结构图

如图1所示。

土木工程结构监测，如加拿大温尼伯湖附近的Taylor

392

2010年7月 李天星等：光纤Bragg 光栅传感器传感原理及常见结构 July 2010

图1 光纤光栅监测系统

Fig.1 Monitoring system of fiber bragg grating sensors

光纤Bragg 光栅传感器一般制作方法是将光纤

Bragg 光栅粘贴在敏感元件结构表面或嵌于结构内部，当敏感元件因受应力或热负荷发生形变时，光纤Bragg 光栅的反射或透射峰波长漂移，通过对中心波长监测可实现应力或温度的监测。对式(1)求微分得：

ΔλB ＝2Δn eff Λ＋2n eff ΔΛ (2) 式(2)为应力引起光纤布喇格光栅波长漂移提供了统一描述。

当有应变和温度变化时，不考虑应变与温度的耦合作用，光纤Bragg 光栅的中心波长将会随之变化[9]，其变化规律为：

ΔλB /λB ＝(α＋ξ) ΔT ＋(1－p e ) Δε (3) 式中：ΔλB 为波长的变化；α为光纤材料的热膨胀系数；ξ为热光系数；p e 为光纤的有效弹光系数。对熔

石英光纤来说，一般p α＝0.55×10－6℃－

e ＝0.216，1，ξ＝6.67×10－6℃－1。实际应用中可根据需要去除应力或温度影响。

2 光纤Bragg 光栅传感器结构及封装

光纤Bragg 光栅的是整个光纤Bragg 光栅的传感器的传感元件，也是整个传感器中的核心元件，一般采用金属材料进行封装，即把光纤Bragg 光栅用胶或环氧树脂粘贴在敏感元件上后，固定在金属保护装置内侧，使其免受外界带来的损伤。 2.1 悬臂梁结构

这是一种较为常见的结构，特点是加工容易，结构简单，便于粘贴，用于测量小量限侧力传感器。有两种形式：等强度悬臂梁和等截面悬臂梁。将光纤Bragg 光栅粘贴在等强度悬臂梁上下表面后两者一起封装在金属盒内，等强度悬臂梁固定端固定于金属盒内，自由端与传力装置相连。这种封装常用于土木工

程等施工条件较为粗放的环境，优点是较为坚固，不

易损坏[10]；缺点是在设计传感器时需要对封装材料有所选择并根据光纤光栅特性设计传感器尺寸。如双孔平行梁光纤Bragg 光栅称重传感器[11]，结构如图2所示。

1#3#

4#

2#

图2 双孔平行梁光纤Bragg 光栅称重传感器结构 Fig.2 Structure of fiber bragg grating weighting sensor based on

double holed cantilever beam

2.2 柱式力结构

弹性元件为实心或空心柱体，当柱体受拉力或压力作用时，在弹性范围内，轴向引力与应变成正比关系。多个光纤Bragg 光栅对称粘贴在柱体应力分布均匀的中间部分。这是一种集保护与测量为一体的结构。把光纤Bragg 光栅直接粘贴在用以隔离金属上，再施加保护。如双层金属结构的光纤Bragg 光栅温度传感器，结构如图3所示[12]。

光栅

图3 光纤光栅温度传感器结构

Fig.3 Structure of fiber bragg grating temperature sensor

光纤Bragg 光栅温度传感器由三部分组成：外管、内管、光纤Bragg 光栅。在双层金属结构中，外管的

主要作用是传导温度和消除外加应力应变对Bragg 波长偏移值的影响。内管的主要作用是传递温度。这种结构除了起到保护光纤Bragg 光栅的作用还有消除温度（应变）的影响。这类封装方法根据测量需要对金属有较高要求，价格较为昂贵。 2.3 膜片式结构

这种传感器结构简单，使用可靠，可以做成小尺寸高精度传感器。如膜片式微型F-P 腔光纤压力传感器[13]，结构如图4所示。

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图4 膜片式微型F-P 腔光纤压力传感器 Fig.4 Configuration of fiber tip pressure sensor

2.4 复合材料柔性结构

柔性结构主要指纤维增强塑料（FRP ），根据纤维种类的不同，FRP 筋可分为碳纤维增强塑料（CFRP ）筋、芳纶纤维增强塑料（AFRP ）和玻璃纤维增强塑料（GFRP ）筋等[14]。这种封装方式将在复合材料内嵌裸FBG 将其保护。复合材料发生形变时，带动FBG ，使其中心波长发生改变。如哈尔滨工业大学欧进萍研究组研制开发的各种直径的FRP-OFBG 筋，该类筋不仅可以盘卷，而且还可以用同一根光纤复用多个OFBG 传感器。这种封装方法增强了光纤Bragg 光栅传感器耐腐蚀性和传感特性，可提高光栅的测量量程，适用于大应力应变的测量。 2.5 聚合物封装结构

聚合物封装的光纤Bragg 光栅传感器有很多显著的优点如柔软，易弯曲，不易折断，抗震动，抗冲击，耐酸碱等，适用于各种工业环境。多模聚合物光纤传感器应用主要有辐射探测，生物医学和化学传感，工程结构安全与材料断裂监测，环境监测等。如Hecht 和Kolling 设计的机械高强度传感箔探头[15]，结构如图5所示。

传感箔

塑料光纤

热缩套管

图5 传感箔探头结构 Fig.5 Structure of leaf sensing probe

光纤传感探头放在不锈钢钢针中，白色PTFE 带

用来保护传感箔免受液体侵害并增强反射光。光纤护套和不锈钢针用热缩套管保护。这种传感器体积较小但响应时间较长。

单多模聚合物光纤传感器主要用于应变和温度监测。如何提高其光敏性是一个迫切需要解决的问题。这种传感器的压力响应特性随着温度的不同而呈规律的分段线性变化，且变化的幅度较大[16]。 394

3 传感器断点的保护

当多个光纤Bragg 光栅传感器串接或是传感器本

身预留光纤长度不符合要求时，就要对光纤进行熔接。一般光纤Bragg 光栅传感器都会采用铠装光纤作为预留光纤，当光纤Bragg 光栅传感器串接时，接头处较脆弱。光纤熔接后，应先套热缩管保护接头，再加以符合工程需要材料的装置保护。当多支传感器接线光纤并入多芯光缆时，一般使用光纤接续盒接线。

4 结束语

本文就光纤Bragg 光栅保护性封装方法及各种方法的封装方法适用范围做了简单介绍。但封装并不能彻底解决传感器光纤断裂的问题，不影响光纤Bragg 光栅传感特性的前提下，期待新的材料和新的技术带来封装更好的封装方法。另外，目前作为商品的光纤Braggg 光栅典型中心波长有980 nm ，1020 nm ，1550 nm ，红外线波长为750 nm ～1 mm ，波长范围较接近。那么，能否在光纤Bragg 光栅宽带光源中使用红外光，如果可以，这将带来怎样的影响，能否推广光纤传感器的应用范围，值得我们共同研究。由于作者水平有限，所见有限，不足之处敬请指正。

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（下转第398页）

金属网栅面电阻大、接地不良，与激光直写法制作金属网栅效率偏低，金属网栅膜层牢固度不高（依GJB2485-1995标准）是我们在金属网栅制作中发现的问题，也是下一步应用需重点解决的问题。

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5 结论

在红外整流罩上镀制金属网栅薄膜，可在极少影响红外透过率的基础上，提高空空导弹的抗电磁辐射干扰能力。在红外空空导弹设计中采用该项技术，对提高导弹的抗电磁干扰能力有重要意义。 （上接第394页）

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