光纤光栅金属基片式封装结构及其温度传感特性研究 ^5FJ}MMJf
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一、引言 o1p$9PL\:
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光纤光栅这一新型光子器件自其问世起就一直为人们所重视。近年来，光纤光栅在传感和通信领域的应用研究尤为引人注目。作为传感元件，光纤光栅将被感测信息转化为其反射波长的移动，即用波长编码，因此不受光源功率波动和系统损耗的影响。此外，光纤光栅具有可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀等特点。光纤光栅温度传感器由于具有上述优点使其能够应用于其它类型的温度传感器所不适合的场所，如：材料或结构温度场的直接监测、高温高压环境下温度的测量、测量精度要求较高的场合以及光纤光栅传感网络的温度补偿等。正是由于这些原因使得光纤光栅温度传感器越来越受到人们的重视。本文通过对结构的优化设计研制了一种新颖的光纤光栅温度封装结构并研究了该结构封装光纤光栅的温度传感特性。 )$9 C` d[
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二、金属基片式封装结构设计及理论分析 x 1%J1?Fp
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1、结构设计 3H\b N4
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在光纤光栅温度传感器的设计中应该考虑以下几个方面：首先，由于光纤光栅的温度系数较小，其单独作为温度传感单元的灵敏度不高，为了提高灵敏度可将光纤光栅粘贴于热膨胀系数较大的基底材料上；其次，在设计中还要考虑实际应用中温度与应力的纠缠问题；最后就是传感器封装过程中材料与结构设计要能够保证传感器在实际使用中的安全性和稳定性。综合以上因素我们设计了一种结构解决了温度测量过程中的应力纠缠问题并且在充分保护光纤光栅的基础上提高了灵敏度，其结构简图如图1所示。 _Gs
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在一个长40mm，宽10mm的薄铁片上开一个对称结构的槽（金属基片的尺寸根据待测构件的大小以及应用环境酌情考虑），这样金属基片就形成了内外两个矩形结构（见图1），然后在内部的矩形上开一个横向的凹槽用来放置光纤光栅（见图1），在使用的过程中，把光纤光栅用选配的环氧树脂胶粘试剂刚性的对称粘贴于金属基片的中心部位上，整个结构只通过外层矩形结构与待测构件进行固定，从而保持内部结构不受应力的作用，来完成温度的独立测量。 ]$?zT`>(F
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2、结构应力的有限元分析与结构拉伸实验[1][2] P&-D0T_
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为了验证设计方案的可行性，我们利用ANSYS8.0构建了结构的三维模型，并对模型在不同受力地点和应力大小的情况下的应力分布作了模拟（外层做了全方位约束）。结果如图2所示。 YN5OuKMUd'
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分析结果表明在外层三维约束的情况下(模拟结构固定在待测结构上的情况)，外层矩形在受到不同应力作用时，内层矩形结构的应力分布均不发生改变。为进一步验证结论，我们利用电子实验机和电子引伸计对封装完光纤光栅的结构进行了拉伸实验，结果如图3所示，反射波长不受纵向拉伸应变的影响。以上的分析与实验表明该结构达到设计要求。 b Q9"GO<X
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三、金属基片式环氧树脂封装光纤光栅温度传感实验 D@lAT#vA
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1、片式环氧树脂封装光纤光栅温度传感原理[3][4] 5wE !_ng>|
布拉格公式可以表示为： （1） w|n?m
其微分表达式为： （2） !Wdt:MUI8
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温度变化所引起的波长漂移可以表示为： Jq ?^8y
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（3） Z|cTzunp
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式中，a—光纤材料的膨胀系数， ； "z(fBnv
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x—光纤的热光系数， ； v#<+n{B
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neff—光纤有效折射率；lB—布拉格波长；L—光栅周期。 u%gm+NneK
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当光纤光栅粘贴到热膨胀系数较大的金属基底上时，温度变化所引起的波长漂移可以表示为： T0np<l]A
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（当 ） （4） t+4%,n f_1
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其中，K—温度灵敏度系数， ；pe—光纤的弹光系数。 7 , &]1+n
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2、金属基片式封装光纤光栅温度传感特性实验 ~A:;?A'.
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实验过程如下：将封装后的光纤光栅置于高低温实验箱中，温控精度0.5℃，解调设备为 MOI的FBG-IS系统，波长分辨率为1pm。在-45℃~50℃之间改变温度，每次改变5℃，温度变化缓慢可以认为是准静态过程。记录不同温度下的反射波长值，得出波长变化量与温度之间的变化关系，实验结果如下图所示。对于一般的掺锗石英光纤，弹光系数Pe=0.22，热光系数ζ=6.3×10-6/℃，热膨胀系数α=0.55×10-6/℃，铁的热膨胀系数为12×10-6/℃[5]。理论上铁基底封装光纤光栅的温度灵敏度系数为16.03×10-6/℃，根据式（4）和图4可知实际测量得到的温度灵敏度系数为14.247×10-6/℃。实验值与理论值之间有一定的差异，原因除了温度控制的精度不高外，主要是由于胶粘试剂与铁片的热膨胀系数不同步造成的，也就是说当温度变化铁基底发生形变时，并不能引起光纤光栅发生同等程度的形变。如果引入粘贴系数h，则温度灵敏度系数可改写为：（5）当取h=0.85时，实验值与理论值能够很好的相符和。 %f3Nm l
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四、结语 zm)CfEF
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本文在对结构的理论分析和实验研究的基础上，提出了一种光纤光栅金属基片式环氧树脂封装结构，分析了该结构封装光栅的温度传感理论，并进行了温度传感实验，得到了温度灵敏度系数，实验结果表明光纤光栅是一种理想的温度传感材料，具有良好的温度敏感性和传感线性度，而金属基片式封装结构非常适合制作分布式光纤光栅度传感器。
