常见的四种光纤光栅传感器应用

光纤光栅传感器有着精度高、灵敏度高、体积小、可曲绕、能埋入的特点，在传感领域迅速发展，已成为光纤传感领域最具代表性的传感器之一，各类利用光纤光栅制作的不同用途传感器也随机涌现。

光纤光栅本质上是光纤传感器，直接使用容易损坏，为增加其使用寿命，改善传感性能，通常会对其封装保护。通过不同的封装结构，选用不同的封装材料，使其能应用于不同场景中，可实现温度、应变、压力、加速度等参数的测量。根据传感器封装方式的不同，可分为管式、基片式、嵌入式、悬空式等，根据封装目的不同又可分为保护性封装、增敏性封装和补偿性封装等。本文对几种常见光纤光栅封装成的传感器做下介绍。

光纤光栅温度传感器

温度传感器是光纤光栅传感器最早的应用之一，其温度传感机理是基于光纤光栅热胀冷缩引起光纤光栅周期和有效折射率发生改变，从而使光纤光栅中心波长发生偏移，通过温度变化量和中心波长移动偏移量之间的关系式来测试出温度变量。由于光纤光栅较为脆弱，一般都会在其外面封装外壳来进行保护，目前市面上常见的光纤光栅温度传感器多用毛细钢管封装。

如图1所示，光纤光栅温度传感器一般将光纤光栅封装于毛细玻璃管中，一端用胶水固定另一端自由松弛在玻璃管中，毛细玻璃管在外面再用钢管保护，中间填充高温导热油来提高温度传递速率，该结构可以使光纤光栅有效地屏蔽外界应变的影响。该种封装方式既保护了光纤光栅，又解决了光纤光栅温度应变同时敏感交叉问题。

图1 光纤光栅温度传感器封装示意图

光纤光栅应变传感器

应变传感器是光纤光栅传感器最为经典的应用，其应变传感机理是基于光纤光栅沿轴向力时，光纤光栅会发生弹光效应，光纤光栅周期和有效折射率会发生改变，从而使光纤光栅中心波长发生偏移，通过光纤光栅应变变化量和中心波长移动偏移量之间的关系式来测试出应变量。光纤光栅应变传感器想要测试出待测物的应变变化，往往需要使用粘结剂将光纤光栅传感器粘贴到被测物上，光纤光栅和待测物会协同形变，测试出光栅光栅应变量即为待测物的应变量。

如图2所示，表贴式光纤光栅应变传感器一般工字型结构封装，其结构主体为一个工字型钢片，光纤光栅粘贴在中部钢片的中心轴上，两边的基座用螺丝固定到待测结构上。试验证明，这种封装结构能有效保护光纤光栅，存活率较高，应变与波长的线性度好，但测量点的应变传递损失约20%，可通过系数校准来进行修正。

图2 工字型光纤光栅应变传感器封装示意图

由于光纤光栅对温度和应变两个物理量是交叉敏感的，在实际应变测试中需要将温度变化带来的影响消除，通常封装两个光纤光栅（一个受应变影响，一个不受应变影响）用来温度补偿。如图3所示，在不锈钢管中封装了两个光纤光栅，一个光纤光栅在紧护套中，钢管受力时会带动其产生应变，受温度和应变两个参量影响，另一个光纤光栅在松护套内可自由移动不受应变影响，因此该光纤光栅只测温度信号，利用其只测温的特性进行温度补偿。

图3 带温度补偿的光纤光栅应变传感器封装示意图

光纤光栅压力传感器

裸光纤光栅在直接受压力影响时，其中心波长偏移非常小，光纤光栅感知压力的灵敏度非常低，需要对光纤光栅进行合理的封装来提升灵敏度。目前主流的光纤光栅压力传感器主要是基于其轴向应变方面来进行测试，主要有粘贴式和嵌入式两种方式。

如图4所示，悬臂梁粘贴式光纤光栅压力传感器一般将悬臂梁封装在密闭的金属壁中，光纤光栅粘贴在悬臂梁的臂上，传递柱位于悬臂梁自由端，当外界有压力时，传递柱将压力传递到悬臂上使其挠曲变形，光纤光光栅测试悬臂梁的应变来表征外界压力。将悬臂梁封装在金属壁内，该封装方式能有效保护光纤光栅，测试压力值大，精度高。

图4 悬臂梁粘贴式光纤光栅压力传感器封装示意图

如图5所示，嵌入式光纤光栅压力传感器一般将光纤光栅嵌入增敏材料内部，然后用金属外壳来进行保护。增敏材料一般为聚合物，其特点为弹性模量小、对压力敏感，当外界有压力产生时，聚合物会带动光纤光栅拉伸从而测试出外界压力。该种封装方式优势为结构简单，对外界压力感应灵敏，缺点为对压力测试精度不够，且聚合物容易老化，稳定性较差。

图5 嵌入式光纤光栅压力传感器封装示意图

光纤光栅加速度传感器

光纤光栅加速度传感器是利用弹性元件，将待测加速度振动引起的位移转换为光纤光栅的应变，从而实现波长调制，弹性元件能否准确传递加速度振动信号至关重要。根据弹性元件结构不同，可以将光纤光栅加速度传感器分为梁式、弹片式、铰链式等。

如图6所示，梁式光纤光栅加速度传感器一般由一段悬臂梁和配重块组成，在悬臂梁上粘贴光纤光栅，当外界有加速度振动时，配重块由于惯性作用带动悬臂梁变形，通过测试出光纤光栅的应变实现加速度测量。该种封装方式的加速度传感器结构简单，适用于低频加速度振动测量，由于是粘贴式测量应变，会受温度影响较大，因此需要进行温度补偿设计。

图6 梁式光纤光栅加速度传感器封装示意图

图7 铰链式光纤光栅加速度传感器封装示意图

如图7所示，铰链式光纤光栅加速度传感器封装结构中，光纤光栅悬空粘贴在柔性铰链两端，其测试加速度原理和梁式光纤光栅加速度传感器一致。通过在铰链上下悬空位置粘贴两个光纤光栅，可以做到相互补偿的作用，该种结构有着无摩擦、精度高、不受温度影响的特点。

审核编辑 黄宇