光纖光柵傳感器的封裝技術(shù)(編輯修改稿)
2024-08-09 21:26 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 徑小一點(diǎn)的不銹鋼管松套封裝，然后共同套入匹配的不銹鋼管內(nèi)部，如圖33所示。這樣只有第一部分FBG接受外套管傳感的受力，另一部分FBG就可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在光柵自由段填充適當(dāng)熱膨脹系數(shù)的液體或固體材料，將有效的消除溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。圖32 能克服應(yīng)變溫度交叉敏感的FBG管式封裝圖 敏化封裝裸光刪對(duì)溫度、應(yīng)變和壓力的靈敏度都不高，這給我們傳感檢測(cè)帶來一定的難度，在某些需要高靈敏度傳感的場(chǎng)合往往不能滿足需要。多年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在對(duì)光柵的增敏封裝方面做了許多研究工作，成果顯著。在溫度增敏方面，被普遍采用的一種方法是把光柵封裝在一種高熱膨脹系數(shù)的基底材料中，*106/℃,金屬的熱膨脹系數(shù)是是它的幾十倍，有機(jī)聚合物的熱膨脹系數(shù)更高，因此依靠基底的帶動(dòng)作用，可以使封裝后的光柵在相同溫度變化時(shí)比裸光柵產(chǎn)生更大的軸向應(yīng)變，從而起到增敏的效果。封裝結(jié)構(gòu)一般為塊式，如圖33所示為溫度增敏封裝結(jié)構(gòu)示意圖。由于光纖布拉格光柵存在溫度應(yīng)變交叉敏感問題，使我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中無法從單一的波長(zhǎng)漂移分辨出這究竟是應(yīng)變引起的還是溫度變化引起的。在很多情況下，比如大型建筑物的健康監(jiān)測(cè)，我們對(duì)光柵粘貼位置的應(yīng)變感興趣，溫度變化帶來的波長(zhǎng)漂移會(huì)嚴(yán)重影響應(yīng)變的測(cè)量，因此必須對(duì)光纖光柵進(jìn)行恰當(dāng)?shù)姆庋b，消除溫度變化造成的影響，也就是對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。目前，光纖光柵的溫度補(bǔ)償方法大致分為兩類:一類是有源方式，即用外加電路設(shè)備控制光柵器件所在的工作環(huán)鏡溫度。另一類是無源方式，即以適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)與材料對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝，通過封裝結(jié)構(gòu)在原理上剔除溫度對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響，或者實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變雙參數(shù)的同時(shí)測(cè)量，甚至多參數(shù)的同時(shí)測(cè)量。最簡(jiǎn)單的無源溫度補(bǔ)償方案就是在傳感光柵旁邊再放置一根不受應(yīng)力作用的參考光柵，兩個(gè)光柵所處的環(huán)鏡溫度是相同的。參考個(gè)光柵的溫度特性是通過標(biāo)定的，從它的波長(zhǎng)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系就能直接知道環(huán)鏡溫度，然后根據(jù)傳感光柵溫度特性曲線就可以從傳感光柵的波長(zhǎng)漂移中剔除溫度的影響，解調(diào)出應(yīng)變。賈宏志等人在光纖的同一位置寫入不同周期的光柵，實(shí)現(xiàn)了溫度應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量。劉云啟等人把一個(gè)光柵分成兩部分分別封裝在兩個(gè)聚合物基底中，所得兩部分光柵的溫度特性和壓力特性不同，實(shí)現(xiàn)了單光柵壓力和溫度的同時(shí)測(cè)量。 MPa，℃。張穎等人采用預(yù)應(yīng)變封裝技術(shù)在一個(gè)光柵上得到了兩個(gè)反射峰[，克服了溫度、應(yīng)變交叉敏感問題。董興法等人設(shè)計(jì)的金屬管分段封裝方法，也實(shí)現(xiàn)了單個(gè)光纖光柵溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量。孫安等人采用空心的懸臂梁結(jié)構(gòu)粘貼光柵，使光柵在懸臂梁自由端受力時(shí)產(chǎn)生啁啾，出現(xiàn)兩個(gè)反射峰，兩峰間的距離隨壓力成線性變化。這樣，解調(diào)出雙峰的距離，就可以求得壓力的大小，從結(jié)構(gòu)上剔除了溫度的干擾。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，但距離實(shí)用還有一段距離。傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要能夠便于實(shí)際的工程安裝，盡量避免安裝環(huán)境的差異導(dǎo)致傳感器特性的改變，如外界應(yīng)力作用于傳感器導(dǎo)致光纖光柵的波長(zhǎng)漂移、反射率下降等負(fù)面影響。同時(shí)要確保正常的現(xiàn)場(chǎng)施工不會(huì)對(duì)傳感器和連的光纜造成嚴(yán)重破壞，要能夠保證信號(hào)的正常采集與傳輸。 傳感器的壽命與傳感器的應(yīng)用環(huán)境直接相關(guān)，高溫環(huán)境將大幅度地縮減傳感器的壽命。因此，在確保傳感元件自身壽命的前提上，要盡量減小因封裝技術(shù)給傳感器壽命帶來的負(fù)面影響。封裝高溫光纖光柵傳感器的各種材料都要能夠承受高溫環(huán)境的長(zhǎng)期考驗(yàn)，尤其需重視膠水的高溫穩(wěn)定性?？箲?yīng)變串?dāng)_的光纖光柵溫度傳感器封裝結(jié)構(gòu)橫切面和俯視圖分別為圖41和42所示:圖中所示圓柱體為中間留有細(xì)小空隙()的圓柱體不銹鋼管，將光纖光柵放入圓柱體中間，通過玻璃焊料或者粘結(jié)劑將光柵尾纖焊接固定在半圓柱不銹鋼管上，兩焊接點(diǎn)之間的光纖稍微彎曲，從而起到消除外力影響，實(shí)現(xiàn)抗應(yīng)變串?dāng)_的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖41光纖光柵溫度傳感器封裝結(jié)構(gòu)橫切面圖42光纖光柵溫度傳感器封裝結(jié)構(gòu)俯視圖光纖光柵溫度傳感器中的玻璃焊料是用于實(shí)現(xiàn)光纖器件的高可靠性封接，封接工藝中可直接將金屬管套與光纖密封，無需將光纖表面金屬化，并改良其抗老化性，防飛濺和抗腐蝕性，可以取代傳統(tǒng)的封裝工藝。焊接方式：將光纖光柵尾纖穿入玻璃焊料中，然后再將玻璃焊料放入半圓柱的不銹鋼管中，通過加熱半圓柱不銹鋼管底部，加熱至320 ℃ 375 ℃左右時(shí)玻璃焊料會(huì)熔化并將光柵尾纖
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