CN1482474A - 光纤光栅的封装结构 - Google Patents

Abstract

光纤光栅的封装结构，包括：光纤光栅、带有一个或两个开孔的封装管、在所述封装管的两端分别接有受力柄和与所述受力柄相接的锥形帽，光纤光栅纤沿所述封装管的轴向封装在该封装管的中间，在所述封装管的内径和光纤光栅之间灌有灌装材料。光线从纤芯进入，其反射波长反映了光栅所受的应力和温度的变化，封装管和两端的受力柄的制造材料是适合不同工程应用的灌封材料从封装管上的开口进入灌封光纤与封装管之间的空间，不同的灌封材料可以产生不同的温度敏感性。本发明的封装的光纤光栅稳定性、可靠性和安全性都有了明显的提高，同时可实现温度和应力的测量。

Description

光纤光栅的封装结构

技术领域

本发明涉及光纤光栅，特别是一种光纤光栅的封装结构。

技术背景

自光纤光栅问世以来，紫外写入技术，相位掩模写入法，以及光纤载氢增敏技术的相继出现已使光纤光栅技术得到了国际国内的广泛重视。光纤Bragg光栅是在一段光纤纤芯中建立起的一种空间周期性的折射率分布，其反射谱的中心波长随着光栅所受的应力和温度变化而改变。基于光纤光栅Bragg波长的漂移理论，光纤Bragg光栅传感器可以测量许多物理量，如：应变、应力、温度、振动、压力、电压以及一些化学量。光纤Bragg光栅传感器由于其波长编码、绝对值测量以及在一路光纤上应用波分复用技术就可以实现分布式测量等优点，在传感技术领域引起了广泛关注。光纤光栅已经成为了一种非常重要的传感手段，其应用领域非常的广泛，包括航空航天、复合材料、混凝土、高压输电线、大型土木工程结构与基础设施的监测等。美国的Sutapun等用钯膜封装光纤光栅，利用钯吸氢后改变光栅中心波长的能力制作了氢传感器；新加坡的Murukeshan等将光纤光栅埋入智能复合材料监测其固化过程；Chan等用光纤光栅测量了复合材料加固的混凝土应变；英国的Gwandu等用光纤光栅同时测量了结构的应变与曲率；香港的Ho等用光纤光栅研究了结构的动静态测量，并得到2.6με的分辨率等。目前，国内外针对光纤Bragg光栅传感器的应用主要包括大型土木工程的健康诊断、腐蚀监测、复合材料固化监测及其成型后的损伤检测、振动测试等方面。光纤Bragg光栅作为应变传感器在实际工程中的应用主要受三方面因素的制约，一是光纤Bragg光栅制造于去掉涂覆层的单模石英光纤上，容易折断；二是环境温度和应变的变化都能导致布喇格中心波长的漂移，即温度与应变的交叉敏感问题，应变测量时必须采取温度补偿措施。三是传感器的工作环境相对恶劣，通常在潮湿，易腐蚀环境下，长期工作的可靠性很难保证。因此，必须寻找有效的封装方式，对光纤光栅进行保护，以保证传感器在工业现场环境中能够存活并正常工作。

现有的封装技术通常采用有机聚合物与金属外套的管状封装，而在实际工程应用中，这种聚合物封装结构的稳定性、可靠性和实用性都很难达到实际的工程要求；同时现有的应力传感器中的封装结构并没有消除温度对光纤光栅的中心波长的影响，其测量值存在一定的误差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种光纤光栅的封装结构，采用这种结构封装的光纤稳定性、可靠性和安全性都有了明显的提高；同时，本发明的封装结构实现了温度与应力的同时测量。

本发明的技术解决方案之一是：光纤光栅的封装结构，其特点在于包括：光纤光栅、带有一个或两个开孔的封装管、在所述封装管的两端分别接有受力柄，光纤光栅纤沿所述封装管的轴向封装在该封装管的中间，在所述封装管的内径和光纤光栅之间灌有灌装材料。

灌封材料是低熔点金属材料，且决定光栅温度敏感性的，即不同的灌封材料具有不同的温度敏感性；灌封材料从所述封装管的开孔进入，且灌封材料正好封住所述封装管的开孔；灌封材料从封装管进入时，在封装管的两端分别还加有抽气装置，以使灌封材料内无空孔，无气泡；封装管和受力柄是符合工程应用环境的材料；封装管和受力柄的外形针对通常所要求的贴片操作来决定，可以是圆形结构或更易进行贴片的矩形结构。为了对光纤输出端起保护作用，在所述受力柄的两端还接有锥形帽。

当封装管具有两个开孔时，两开孔之间填充惰性气体，以提高光纤光栅的稳定性。结构上可以参照附图2(本发明技术解决方案之一的另一实施例结构示意图)。从防护和强度方面看，封装管上的灌装孔是比较细的眼孔。这对于长光棚和细封装管，灌装材料特别是金属材料，对整段光栅全部充填难度很大。采取上述开双孔的方法可以封装住光栅两端，在纯直拉应力应用场合下，跟全部充填有相同的效果。中间充惰性气体，可以对裸露光栅不做特别处理，光纤光栅也不会因长期使用老化变性。

本发明的技术解决方案之二是：光纤光栅的封装结构，其特点在于包括在不同位置刻有不同中心波长两个光栅的光纤、带有开孔的封装管、位于所述封装管一端的受力柄、位于所述封装管另一端的且使第一个光栅只对温度敏感而免受应力影响的中空金属保护桶，桶的内边缘焊接在封装管上的中间位置，环状端面起到跟受力柄同样的功能，带有光栅的光纤沿所述封装管的轴向封装在该封装管的中间，在所述封装管的内径和光纤光栅之间灌有灌装材料。在所述受力柄的一端还可以接对光纤输出端起保护作用的锥形帽。图4(本发明技术解决方案之二的实施例示意图)介绍了这种封装方法。

当这一发明器件埋入混凝土或其他被侧结构，温度对两只光栅都产生影响，但被侧结构的变形，将只拉动在保护桶外面的第二只光栅，第一只光纤光栅由于封装管受不到外部拉力，只对温度产生响应，这样两个中心波长的差只对应力敏感，实现应力测量，同时第一个光栅可以测出温度，实现温度应力的同时测量；一个中空的金属保护桶对第一个光栅起保护作用，外力只能作用在保护桶上，而光栅并不受力，所以光栅只对温度敏感；此外所述的封装管、受力柄和中空的金属保护桶的外形针对通常所要求的贴片操作来决定，可以是圆形结构或更易进行贴片的矩形结构。

本发明与现有技术相比具有的优点：

(1)本发明采用金属材料作为灌封材料，整体结构强度大，适合恶劣环境。

(2)本发明采用金属材料作为灌封材料，温度响应快，温差产生的应力小。

(3)本发明适应于同时进行温度和应力的测量。

(4)本发明封装简单、可靠、紧凑，适合多种工业场合应用。

(5)本发明封装的光纤光栅封装前先镀上金属，安全性高、温度响应快，特别适合与温度传感器。

附图说明

图1为本发明技术解决方案之一的实施例结构示意图；

图2为本发明技术解决方案之一的另一实施例结构示意图；

图3为本发明技术解决方案之一的实施例被埋入混凝土中的示意图；

图4为本发明技术解决方案之二的实施例示意图；

图5为本发明技术解决方案之二的实施例结构被贴在被测物表面示意图；

图6为本发明实施例的在实际测试系统中的连接示意图；

图7为图1中结构的光栅的中心波长的应力特性曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明技术解决方案之一实施例的封装结构包括一个中心波长为1554nm的光纤光栅40，带有一个开孔22的封装管8，两个受力柄27(本实施例中封装管8和受力柄27均采用圆形)和锥形帽16，其中封装管8的长度12cm，外径1.5mm，内径0.8mm，其上的开孔22的直径0.8mm，受力圆柄27的外径12mm，内径0.8mm，宽10mm，其凹槽的直径为8mm。封装管8和受力柄27是适合各种恶劣工程环境的材料，可以是不锈钢或钛合金或铝合金。封装管8和受力柄27必须被焊接在一起，可以用锡焊或用胶粘接。

首先将光纤光栅两端的光纤涂覆层剥掉14mm，使光纤从中间穿过封装管8。灌封材料26从开孔22进入到光栅40与管8中间的空间31，从中间向两端扩散，慢慢的填充空间31，灌封材料26正好封住开孔22，灌封材料26从封装管8进入时，在封装管8的两端可以分别还加有抽气装置，以使灌封材料26内无空孔，无气泡。灌封材料26是低熔点金属材料，如锡等，且其直接粘接在光纤光栅40的周围。受力柄27的圆槽中的21可以是泡沫，橡皮等相对较软的物质，通过环氧树脂37和受力柄27、光纤粘接在一起，同时密封了灌封材料26。锥形帽16采用金属壳，可以焊接或粘接在受力圆柄27上，中间的空间17可以灌入一些塑性的物质，实现对光纤输出端的保护作用。

如图2所示，本发明技术解决方案之一的另一实施例是：封装管8在两端开有孔24和25，灌封材料26从孔24、25进入，起到粘接和密封作用，同时灌封材料26正好封住开孔24、25，两孔中间填充惰性气体以提高光栅的稳定性与寿命。此外，灌封材料26从封装管8进入时，在封装管8的两端可以分别还加有抽气装置，以使灌封材料26内无空孔，无气泡。

本发明上述两实施例的光纤光栅40在封装前，可以镀上一层金属，如金属铜、锡和锌等，以提高对温度的响应速度，同时还可以提高光栅和封装管之间的粘接力。

如图3所示，本发明的封装结构中灌封材料决定光栅温度敏感性及同时敏感温度和应变的原理是：光纤光栅的中心波长λ_B＝2nΛ，n为光纤的有效折射率，Λ为光栅的周期。

光栅中心波长随温度的变化可由上式两边对温度T求导得出：

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_B}\frac{d{\mathrm{\λ}}_B}{\mathrm{dT}}=\frac{1}{n}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}+\frac{1}{\mathrm{\Λ}}\frac{\mathrm{d\Λ}}{\mathrm{dT}}=\mathrm{\ξ}+{\mathrm{\α}}_f$ 其中， $\mathrm{\ξ}=\frac{1}{n}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}$ 为光纤材料的热光系数， ${\mathrm{\α}}_f=\frac{1}{\mathrm{\Λ}}\frac{\mathrm{d\Λ}}{\mathrm{dT}}$ 为光纤的热膨胀系数。已知α_f＝0.55×10^-6/℃，取ξ＝6.1×10^-6/℃，当温度变化100℃时，根据上式，中心波长将漂移1.03nm(温度系数0.0103nm/℃)，这是一个相当大的变化，因此实际应用中，光栅必须进行温度补偿。

中心布拉格光栅Bragg波长随应力的变化可以由上式两边对应变ε求导得到：

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_B}\frac{d{\mathrm{\λ}}_B}{\mathrm{d\ϵ}}=\frac{1}{\mathrm{\Λ}}\frac{\mathrm{d\Λ}}{\mathrm{d\ϵ}}+\frac{1}{n}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\ϵ}}=1-P_e$ 其中， $P_e=-\frac{1}{n}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\ϵ}}$ 为光纤材料的弹光系数。

当温度和应力都发生变化时，可以得到：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=({\mathrm{\α}}_f+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}+(1-P_e)\mathrm{\Δ\ϵ}$ 对图3所示的结构，封装后的总的膨胀系数为

    α＝α_f+α_c，其中 ${\mathrm{\α}}_c=\frac{\mathrm{d\ϵ}}{\mathrm{dT}}$ 所以， $\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dT}}=\frac{\∂\mathrm{\λ}}{\∂T}+\frac{\∂\mathrm{\λ}}{\∂\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\α}}_c$

$\frac{1}{\mathrm{\λ}}\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dT}}=\mathrm{\ξ}+(1-P_e)\mathrm{\α}+P_e{\mathrm{\α}}_f,$ 当 $\mathrm{\α}=\frac{-1}{1-P_e}(\mathrm{\ξ}+P_e{\mathrm{\α}}_f)$ 时，可以实现温度不敏感。由力学原理，可以得出图3所示的封装结构的热膨胀系数为，

$\mathrm{\α}=\frac{E_f{S}_f{\mathrm{\α}}_f+E_1{S}_1{\mathrm{\α}}_1+E_s{S}_s{\mathrm{\α}}_s}{E_f{S}_f+E_1{S}_1+E_s{S}_s}$ 其中E为杨氏模量，S是横截面积，f、1、s分别代表两个光栅的封装结构基本相同，通过合理的选择材料和设计尺寸可以得到所需的温度系数。

图4所示，本发明技术解决方案之二实施例的封闭结构是：包括一根光纤在不同位置刻有不同中心波长光纤光栅41和42，带有一个开孔22的封装管8，一个受力柄27，一个中空的金属保护桶28，一个锥形帽22。其中两个光栅41与42相距一定的距离8cm，中心波长分别为1556nm和1342nm，两个光栅的温度系数一样。封装管8的长度为16cm，外径1.8mm，内径0.8mm，开孔22的直径0.8mm。受力柄27的外径为14mm，内径0.8mm。金属保护桶28的外径为14mm，内径为3mm，长度10cm。封装管8、受力柄27和金属保护桶28是适合各种恶劣工程环境的材料，可以是不锈钢或铝合金或钛合金等。剥掉光栅两端和之间的涂覆层，从封装管8的中间穿过，灌封材料26从开孔22进入到光栅41、42与封装管8中间的空间31，从中间向两端扩散，慢慢的填充空间31，灌封材料26正好封住开孔22，两端用胶封闭，灌封材料26从封装管8进入时，在封装管8的两端可以分别还加有抽气装置，以使灌封材料26内无空孔，无气泡。中空的金属保护桶28从右边套向光栅42，至过开孔22处与封装管8焊接在一起，这样就可以使光栅42免受应力的影响，得到精确的温度值。

如图5所示，封装管8、受力圆柄27和金属保护桶28的外形为矩形时，被贴在被测物表面的示意图，其中的矩形可以使封装结构和被测物表面更好的接触，更准确的反映被测物的参数，具体采用圆形还是矩形，根据封装管8、受力柄27和金属保护桶8的外形针对通常所要求的贴片操作来决定。

本发明上述实施例的两光纤光栅41和42在封装前，可以镀上一层金属，如金属铜、锡和锌等，以提高对温度的响应速度，同时还可以提高光栅和封装管之间的粘接力。

如图6所示，为本发明实施例的测试系统示意图，包括一个已封装光栅10作为测量元件，一个电阻应变片传感器20作为测量参考，光纤布拉格光栅传感器查询仪FBG-Interrogation system 31，一台控制与处理的计算机43，FBG-IS31有内置的光源和环形器，计算机43通过数据卡与FBG-IS31和应变片传感器20连接在一起。首先将电阻应变片传感器20和封装光栅10粘接在被测物上，给被测物一个应力，电阻应变片传感器20和FBG-IS31得出的信号都送交给计算机43，进行处理、比较。

图7所示，为用本发明的光纤光棚封装的光栅测量的光栅反射的中心波长和所受应力变化的曲线，从曲线上可以看出，光纤光栅感受的应力和波长变化在很大的测量范围内，有很好的线性关系。

Claims (13)

1、光纤光栅的封装结构，其特征在于包括：光纤光栅、带有一个或两个开孔的封装管、在所述封装管的两端分别接有受力柄，光纤光栅纤沿所述封装管的轴向封装在该管的中间，在所述封装管的内径和光纤光栅之间灌有灌封材料。

2、根据权利要求1所述光纤光栅的封装结构，其特征在于：所述的灌封材料是低熔点金属材料，且决定光栅温度敏感性，即不同的灌封材料具有不同的温度敏感性。

3、根据权利要求1所述光纤光栅的封装结构，其特征在于：所述的灌封材料从所述封装管的开孔进入，且灌封材料正好封住所述封装管的开孔。

4、根据权利要求1所述光纤光栅的封装结构，其特征在于：所述灌封材料从封装管进入时，在封装管的两端分别还加有抽气装置，以使灌封材料内无空孔，无气泡。

5、根据权利要求1所述光纤光栅的封装结构，其特征在于：所述的封装管和受力柄的制作材料是符合不同工程应用环境的不锈钢或铝合金或钛合金。

6、根据权利要求1所述光纤光栅的封装结构，其特征在于：所述的封装管和受力柄的外形针对通常所要求的贴片操作来决定，可以是圆形结构或更易进行贴片的矩形结构。

7、根据权利要求1所述光纤光栅的封装结构，其特征在于：所述的封装管具有两个开孔时，两开孔之间填充惰性气体，以提高光纤光栅稳定性。

8、根据权利要求1所述的光纤光栅的封装结构，其特征在于：所述的光纤光栅在封装前，可以镀上一层金属，以提高对温度的响应速度和光纤与封装管的连接力。

9、光纤光栅的封装结构，其特征在于：包括在不同位置刻有不同中心波长两个光栅的光纤、带有开孔的封装管、位于所述封装管一端的受力柄、位于所述封装管的另一端且使第一个光栅只对温度敏感而免受应力影响的中空金属保护桶，带有光栅的光纤沿所述封装管的轴向封装在该封装管的中间，在所述封装管的内径和光纤光栅之间灌有灌装材料。

10、根据权利要求9所述光纤光栅的封装结构，其特征在于：所述第一个光纤光栅只对温度敏感，第二个光栅对温度和外界应力都敏感。

11、根据权利要求9所述光纤光栅的封装结构，其特征在于：所述封装管、受力柄和中空的金属保护桶的材料是符合不同工程应用环境的不锈钢或铝合金或钛合金。

12、根据权利要求9所述光纤光栅的封装结构，其特征在于：所述的封装管、受力柄和中空的金属保护桶的外形针对通常所要求的贴片操作来决定，可以是圆形结构或更易进行贴片的矩形结构。

13、根据权利要求9所述的光纤光栅的封装结构，其特征在于：所述的光纤光栅在封装前，可以镀上一层金属，以提高对温度的响应速度和光纤与封装管的连接力。

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