光纖布拉格光柵的增敏封裝及定位安裝技術(shù)研究.pdf

1、光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）具有體積小、熔接損耗小、耐腐蝕、不受光強(qiáng)波動(dòng)的影響、可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測(cè)量、便于單光源的波分復(fù)用以及抗電磁干擾等優(yōu)良特性；且其諧振峰波長(zhǎng)對(duì)溫度、應(yīng)變等物理量的變化比較敏感。因此，F(xiàn)BG在光纖通信及光纖傳感領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，裸光柵細(xì)小質(zhì)脆，易損壞，將其定位安裝于結(jié)構(gòu)件較困難；裸光柵的溫度、應(yīng)變靈敏度低，無法滿足對(duì)溫度、應(yīng)變分辨率要求高的工況。因此，F(xiàn)BG應(yīng)用于工程前需要對(duì)其進(jìn)

2、行增敏和保護(hù)封裝。如何提高FBG溫度、應(yīng)變傳感特性以及如何成功將其安裝于工程結(jié)構(gòu)件表面或內(nèi)部，需要進(jìn)一步探索。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴為了對(duì)FBG進(jìn)行溫度增敏，提出了一種FBG毛細(xì)管式封裝工藝。采用此工藝對(duì)FBG進(jìn)行了封裝試驗(yàn)，研究了封裝后FBG的溫度傳感特性。試驗(yàn)對(duì)比了FBG封裝前后的中心波長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性和溫度靈敏度等傳感特性。結(jié)果表明：封裝后的FBG中心波長(zhǎng)增大了0.1~0.2 nm；封裝后的FBG溫度動(dòng)

3、態(tài)響應(yīng)速度基本不變；封裝后的FBG中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性有所降低，產(chǎn)生約0.3℃的測(cè)量波動(dòng)；不同聚合物與毛細(xì)鋅管封裝的FBG溫度靈敏度分別提高到18.25 pm/℃、21.87 pm/℃、35.13 pm/℃，約為裸光柵的1.9倍、2.3倍、3.6倍。建立了毛細(xì)管式封裝FBG的溫度傳感模型，通過對(duì)比試驗(yàn)值與理論值，相對(duì)誤差均在10％以下，從而驗(yàn)證了模型的正確性與可靠性?；谠摐囟葌鞲心Ｐ脱芯糠庋b材料參數(shù)對(duì)FBG溫度靈敏度的影響。⑵采用化學(xué)鍍結(jié)合

4、電鍍對(duì)FBG進(jìn)行了表面金屬化，分別實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍍銅、鎳、鈷，以及在化學(xué)鍍后實(shí)現(xiàn)電鍍銅、鎳。研究了金屬化FBG的溫度靈敏度及失效溫度；針對(duì)鍍層材料參數(shù)對(duì)FBG溫度靈敏度的影響程度進(jìn)行了數(shù)值仿真分析。結(jié)果表明：鍍銅FBG、鍍鎳FBG和鍍鈷FBG溫度靈敏度分別達(dá)到23.83 pm/℃、19.22 pm/℃和11.95 pm/℃；在20 min高溫環(huán)境下，金屬化FBG的失效溫度約為900℃，比裸光柵提高了約100℃；在一定范圍內(nèi)，隨著熱膨脹系數(shù)、彈

5、性模量、泊松比和鍍層厚度的增大，F(xiàn)BG的溫度靈敏度均能不同程度的增大。⑶采用釬焊方法成功地將鍍鎳FBG分別埋入到銅基體、TC4基體和鋁合金基體中，觀察了釬焊接頭的橫截面顯微組織。對(duì)比了埋入后的FBG的中心波長(zhǎng)和光譜變化。結(jié)果表明，不同焊接材料埋入的FBG中心波長(zhǎng)漂移量分別為3.281nm、8.252nm、5.784nm；埋入的FBG的溫度靈敏度分別提高到26.9 pm/℃、22.77pm/℃、28.65pm/℃，約為裸光柵的3倍。采用A

6、NSYS模擬了金屬化FBG埋入銅基板表面的釬焊過程中FBG中心波長(zhǎng)漂移情況。溫度從230℃降到30℃，中心波長(zhǎng)漂移值為ΔλB=-4.17nm，與試驗(yàn)結(jié)果ΔλB=-3.281 nm相近。因此，模擬結(jié)果較為可靠，可以借助有限元分析計(jì)算FBG埋入到各種金屬基體后中心波長(zhǎng)的漂移量，從而分析FBG焊后所受殘余應(yīng)力的大小。⑷提出了一種將金屬化FBG定位安裝在金屬基體表面的電鍍安裝法。采用電鍍法成功將鍍銅FBG安裝在T2基板表面，將鍍鎳FBG安裝在Q

7、235表面。對(duì)電鍍安裝的FBG的接頭質(zhì)量，接頭強(qiáng)度，光譜特性，溫度、應(yīng)變傳感特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明：接頭強(qiáng)度高于金屬化FBG的抗拉強(qiáng)度，且金屬化FBG的抗拉強(qiáng)度提高到金屬化前的兩倍，電鍍接頭具有可靠的機(jī)械性能；安裝后光譜變化較小，且中心波長(zhǎng)降低量在1nm以內(nèi)，說明電鍍后FBG的殘余壓應(yīng)力較??；溫度靈敏度提高到30.6pm/℃，約為裸光柵的3倍；應(yīng)變靈敏度大幅提高，達(dá)到4.998×103pm/με。因此，電鍍安裝的FBG具有良好的溫