常見的四種光纖光柵傳感器應(yīng)用

光纖光柵傳感器有著精度高、靈敏度高、體積小、可曲繞、能埋入的特點，在傳感領(lǐng)域迅速發(fā)展，已成為光纖傳感領(lǐng)域最具代表性的傳感器之一，各類利用光纖光柵制作的不同用途傳感器也隨機涌現(xiàn)。

光纖光柵本質(zhì)上是光纖傳感器，直接使用容易損壞，為增加其使用壽命，改善傳感性能，通常會對其封裝保護。通過不同的封裝結(jié)構(gòu)，選用不同的封裝材料，使其能應(yīng)用于不同場景中，可實現(xiàn)溫度、應(yīng)變、壓力、加速度等參數(shù)的測量。根據(jù)傳感器封裝方式的不同，可分為管式、基片式、嵌入式、懸空式等，根據(jù)封裝目的不同又可分為保護性封裝、增敏性封裝和補償性封裝等。本文對幾種常見光纖光柵封裝成的傳感器做下介紹。

光纖光柵溫度傳感器

溫度傳感器是光纖光柵傳感器最早的應(yīng)用之一，其溫度傳感機理是基于光纖光柵熱脹冷縮引起光纖光柵周期和有效折射率發(fā)生改變，從而使光纖光柵中心波長發(fā)生偏移，通過溫度變化量和中心波長移動偏移量之間的關(guān)系式來測試出溫度變量。由于光纖光柵較為脆弱，一般都會在其外面封裝外殼來進行保護，目前市面上常見的光纖光柵溫度傳感器多用毛細鋼管封裝。

如圖1所示，光纖光柵溫度傳感器一般將光纖光柵封裝于毛細玻璃管中，一端用膠水固定另一端自由松弛在玻璃管中，毛細玻璃管在外面再用鋼管保護，中間填充高溫導(dǎo)熱油來提高溫度傳遞速率，該結(jié)構(gòu)可以使光纖光柵有效地屏蔽外界應(yīng)變的影響。該種封裝方式既保護了光纖光柵，又解決了光纖光柵溫度應(yīng)變同時敏感交叉問題。

圖1 光纖光柵溫度傳感器封裝示意圖

光纖光柵應(yīng)變傳感器

應(yīng)變傳感器是光纖光柵傳感器最為經(jīng)典的應(yīng)用，其應(yīng)變傳感機理是基于光纖光柵沿軸向力時，光纖光柵會發(fā)生彈光效應(yīng)，光纖光柵周期和有效折射率會發(fā)生改變，從而使光纖光柵中心波長發(fā)生偏移，通過光纖光柵應(yīng)變變化量和中心波長移動偏移量之間的關(guān)系式來測試出應(yīng)變量。光纖光柵應(yīng)變傳感器想要測試出待測物的應(yīng)變變化，往往需要使用粘結(jié)劑將光纖光柵傳感器粘貼到被測物上，光纖光柵和待測物會協(xié)同形變，測試出光柵光柵應(yīng)變量即為待測物的應(yīng)變量。

如圖2所示，表貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器一般工字型結(jié)構(gòu)封裝，其結(jié)構(gòu)主體為一個工字型鋼片，光纖光柵粘貼在中部鋼片的中心軸上，兩邊的基座用螺絲固定到待測結(jié)構(gòu)上。試驗證明，這種封裝結(jié)構(gòu)能有效保護光纖光柵，存活率較高，應(yīng)變與波長的線性度好，但測量點的應(yīng)變傳遞損失約20%，可通過系數(shù)校準來進行修正。

圖2 工字型光纖光柵應(yīng)變傳感器封裝示意圖

由于光纖光柵對溫度和應(yīng)變兩個物理量是交叉敏感的，在實際應(yīng)變測試中需要將溫度變化帶來的影響消除，通常封裝兩個光纖光柵（一個受應(yīng)變影響，一個不受應(yīng)變影響）用來溫度補償。如圖3所示，在不銹鋼管中封裝了兩個光纖光柵，一個光纖光柵在緊護套中，鋼管受力時會帶動其產(chǎn)生應(yīng)變，受溫度和應(yīng)變兩個參量影響，另一個光纖光柵在松護套內(nèi)可自由移動不受應(yīng)變影響，因此該光纖光柵只測溫度信號，利用其只測溫的特性進行溫度補償。

圖3 帶溫度補償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器封裝示意圖

光纖光柵壓力傳感器

裸光纖光柵在直接受壓力影響時，其中心波長偏移非常小，光纖光柵感知壓力的靈敏度非常低，需要對光纖光柵進行合理的封裝來提升靈敏度。目前主流的光纖光柵壓力傳感器主要是基于其軸向應(yīng)變方面來進行測試，主要有粘貼式和嵌入式兩種方式。

如圖4所示，懸臂梁粘貼式光纖光柵壓力傳感器一般將懸臂梁封裝在密閉的金屬壁中，光纖光柵粘貼在懸臂梁的臂上，傳遞柱位于懸臂梁自由端，當(dāng)外界有壓力時，傳遞柱將壓力傳遞到懸臂上使其撓曲變形，光纖光光柵測試懸臂梁的應(yīng)變來表征外界壓力。將懸臂梁封裝在金屬壁內(nèi)，該封裝方式能有效保護光纖光柵，測試壓力值大，精度高。

圖4 懸臂梁粘貼式光纖光柵壓力傳感器封裝示意圖

如圖5所示，嵌入式光纖光柵壓力傳感器一般將光纖光柵嵌入增敏材料內(nèi)部，然后用金屬外殼來進行保護。增敏材料一般為聚合物，其特點為彈性模量小、對壓力敏感，當(dāng)外界有壓力產(chǎn)生時，聚合物會帶動光纖光柵拉伸從而測試出外界壓力。該種封裝方式優(yōu)勢為結(jié)構(gòu)簡單，對外界壓力感應(yīng)靈敏，缺點為對壓力測試精度不夠，且聚合物容易老化，穩(wěn)定性較差。

圖5 嵌入式光纖光柵壓力傳感器封裝示意圖

光纖光柵加速度傳感器

光纖光柵加速度傳感器是利用彈性元件，將待測加速度振動引起的位移轉(zhuǎn)換為光纖光柵的應(yīng)變，從而實現(xiàn)波長調(diào)制，彈性元件能否準確傳遞加速度振動信號至關(guān)重要。根據(jù)彈性元件結(jié)構(gòu)不同，可以將光纖光柵加速度傳感器分為梁式、彈片式、鉸鏈式等。

如圖6所示，梁式光纖光柵加速度傳感器一般由一段懸臂梁和配重塊組成，在懸臂梁上粘貼光纖光柵，當(dāng)外界有加速度振動時，配重塊由于慣性作用帶動懸臂梁變形，通過測試出光纖光柵的應(yīng)變實現(xiàn)加速度測量。該種封裝方式的加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡單，適用于低頻加速度振動測量，由于是粘貼式測量應(yīng)變，會受溫度影響較大，因此需要進行溫度補償設(shè)計。

圖6 梁式光纖光柵加速度傳感器封裝示意圖

圖7 鉸鏈式光纖光柵加速度傳感器封裝示意圖

如圖7所示，鉸鏈式光纖光柵加速度傳感器封裝結(jié)構(gòu)中，光纖光柵懸空粘貼在柔性鉸鏈兩端，其測試加速度原理和梁式光纖光柵加速度傳感器一致。通過在鉸鏈上下懸空位置粘貼兩個光纖光柵，可以做到相互補償?shù)淖饔?，該種結(jié)構(gòu)有著無摩擦、精度高、不受溫度影響的特點。

審核編輯 黃宇