选用有机材料、金属或合金等材料可以较大地提高光纤光栅的温度灵敏度 系数，如用一种热膨胀系数很大的混合聚合物对光纤光栅进行封装，在 20~80℃范围内可将光纤光栅的温度灵敏度提高11.2倍。
高热膨 胀系数 基底材 料
光纤光栅封装技术 应力增敏封装：
用杨氏模量较小的材料对光纤光栅进行封装后将传感头置于应力
光纤光栅传 感器串联
光纤光栅的应用现状 MOI公司：在铁路站的应用是采用静态解调仪sm125，应变传 感器os3100，温度传感os4100，以及监测软件Enlight系统
光纤光栅的应用现状 2）船舶行业中的应用 美国海军水面战斗中心Naval Surface Warfare Center,Carderock Division在登陆平台船坞LPD17上的舰船推进器上完成了光纤传 感系统
光纤光栅的发现与发展 1989年，美国的Meltz等人发明了紫外光侧面写入光敏光纤光 栅技术，他们利用两束干涉的紫外光从光纤侧面写入了光栅。 这项技术不仅大大提高了光栅的写入效率，而且可以通过改变 两束相干光的夹角来控制反射波长。 1993年，Hill等人提出了相位掩模写入技术，利用紫外激光经 过相位掩模后的士1级衍射光形成的干涉条纹对光纤侧面曝光 写入光栅。 1993年。Lemaier等人提出了一种提高光纤光敏性的简单有效 方法一低温载氢技术，他们将光纤浸入20一750个大气压，20 一75℃的氢气中，使得氢分子充分扩散进入光纤纤芯内部， 然后再用紫外光写入光纤光栅，这样可以使光纤的光敏性提 高近两个量级。这极大地降低了光栅制作成本，在不同通信 光纤上可以很容易的制作出高反射率的光纤布拉格光栅。
和黏贴式类似
测量是标距内的平均应变 优点：整个封装结构由整根钢料加工而成，整体性好。
不同功能的传感器封装 4、钢管封装光纤Bragg光栅温度传感器 基本原理是将光纤Bragg光栅与应变隔绝，使之只能感受到 环境温度的变化
此端 固定
此端 自由
不同功能的传感器封装 5、耐高温FBG温度传感器的设计
如果选用聚合物胶，由于聚合物在固化过程中，发生收缩，会 产生光纤光栅的啁啾化。这种结构的温度传感器中间有螺纹， 在封装过程中，用于给光纤光栅施加一定的预应力，而且可以 调节施加的光纤光栅预应力的大小。这样，在封装好光纤光栅 后，光纤光栅一直处于张紧状态，光纤光栅和细钢管之间会保 持良好的受力关系。
温度的增敏等功能
为什么要封装
光纤光栅封装技术 1、温度减敏和补偿封装
增敏、减敏以及补 偿型封装原理
β一锂霞石(β一石英 的衍生物)玻璃陶瓷、 液晶聚合物等
光纤光栅封装技术
2、应力和温度的增敏封装
不同功能的传感器封装 温度增敏封装：
无应变条件下
0 [ a (1 p e )( a s a )] T
光纤光栅工作原理 影响光纤光敏性因素

掺杂种类与掺杂浓度 预制棒 拉纤速度影响光纤光敏性 光纤光敏性与曝光时所施加的应力有关
增加光纤光敏性方法

低温载氢处理预制棒


高温载氢处理
火焰热处理 混合掺杂（硼、锡、氮气等）
光纤光栅封装技术 由于裸的光纤光栅直径只有125μm ，在恶劣的工程 环境中容易损伤，只有对其进行保护性的封装(如埋入 衬底材料中)，才能赋子光纤光栅更稳定的性能，延长 其寿命传感器才能交付使用。同时，通过设计封装的结 构，选用不同的封装材料，可以实现温度补偿，应力和
对温度、应变的灵敏度更高，
具有低反射、测量方法方便等优点
和普通的FBG 相比较而言
光纤光栅的分类
闪耀光纤光栅：
光栅制作中，如果紫外侧写光束与光纤轴不垂直，使得虽 然光栅周期与折射率调制深度均为常数，但是光栅波矢方 向与光纤轴向成一定角度，就形成了闪耀光栅
光纤光栅的分类 2）非均匀光纤光栅：光栅的光学周期沿光栅轴向变化 啁啾光纤光栅： 栅格间距不等，不同的栅格周期对应不同的反射波长， 因此惆啾光栅能够形成很宽的反射带宽，最大的可以 超过100nm
此类光栅纤芯折射率呈均匀的空间周期性分布，
栅格周期一般为10^2nm量级，
折射率调制深度一般为10^-3~10^-5 具有较窄的反射带宽和较高的反射率，且可以通过改变写入 条件加以灵活调节
光纤光栅的分类
长周期光纤光栅： 栅格周期远大于一般的光纤光栅，一般可达几百微米 波长选择特性会因外界应力、温度等因素的影响而改变
波长偏移：
B C c f B (1 p e ) c
C c f
为光纤与铜片间的粘贴系数
不同功能的传感器封装 为便于保护，传感器被封装于下图所示的盒子里湿对光纤的侵蚀和破 坏，盒子内可注入柔性硅胶。
底面黏贴与被 测表面
不同功能的传感器封装 2、埋入式光纤光栅传感器的封装结构 以毛细钢管封装为例：
光纤光栅工作原理
包层 入射光 透射光
反射光
Λ
纤芯
光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：
1 2 2

β1、β2是正、反向传输常数，Λ是光纤光栅的周期，在 写入光栅的过程中确定下来。
光纤光栅工作原理 当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相应的频率 上被反射回来，其余的不受影响从光栅的另外一端透射出来。
光纤光栅的应用现状 3）航空航天业中的应用
SensorTran 系列分布式光纤测温（DTS）产品最早是为了满足美国宇航局 （NASA）无人驾驶航天飞机X-33的温度检测需求而设计的，采用光纤作 为温度信息采集的传感器，通过测量入射激光在光纤中不同距离处产生 的散射波，测知沿光纤分分布的上万点的实时温度信息
调节预应 力的螺纹
不同功能的传感器封装 6、剪刀型结构封装
存在的问题：
这种温度补偿封装的光纤光 栅的长期可靠性问题( 材料 蠕变效应)
不同功能的传感器封装 7、玻璃球结构压力传感器封装
由压力引起的光纤光栅上的 应变与玻璃球直径的相对变 化率 Δ d/d 是相等的
B
B
(1 p e )
光纤光栅的分类 1、根据物理机制的不同分类 1）蚀刻光栅：在光纤结构中形成明显的物理刻痕
2）折射率调制的位相光栅：在纤芯中形成折射率周期分 布。 现在提到的光纤光栅几乎专门指代后者
光纤光栅的分类 2、根据光敏机制的不同分类 Ⅰ类光栅： 掺杂浓度较低的光纤内形成
较低UV曝光量
局部缺陷引起折射率变化 折射率变化⊿n～10-5—10-3＞0 温度稳定性较差（300℃） 可使脉冲或连续激光，前者更有效
场中，由于基底材料与光栅紧密粘接，产生较大应变的基底材料将对
光栅产生带动作用，增加光栅的轴向应变，从而增加布拉格波长的漂 移量，使光纤光栅传感器具有更大的应力灵敏度。
杨氏模量 较小的聚 合材料
不同功能的传感器封装 1、粘贴式光纤Bragg光栅应变传感器
铜片上未贴光纤 Bragg光栅的平面 被粘贴于被测物 体的表面
d d
0 .1 7
d (1 ) Et
P
E 表示杨氏模量； μ 是泊
松比；t 是玻璃球的壁厚。
光纤光栅的应用现状 1）民用工程结构中的应用 光纤光栅传感器在民用方面多用于结构监测。监视 结构缺陷的形成和生长。 2005 年 12 月 18 日 在天津市北仓立交桥进行加载检测， 检测桥梁承载的应变，测量桥梁的剪应力
光纤光栅的应用现状
日本Mitsubishi Precision公 司和空间及宇航所为日本 M-V火箭系统设计制造的 惯导系统 光纤陀螺的标准 结构
诺斯罗普-格鲁门公司 的光纤陀螺惯性导航 系统LN-260被美国空 军选中升级其多国战 斗机项目F-16机队的 航电系统
光纤光栅的应用现状 4）医学中的应用 南京航空航天大学生物医学工程系钱志余教授提出 了利用光纤光谱仪和光纤探头在位测量生物组织优 化散射系数的切实可行新方法
帕金森病临床手术
光纤光栅的应用现状
主要应用于： 牙科、眼科、 放松治疗学、 外科
光纤光栅的应用现状
SP-FBG-POWER01系列电力电缆光纤光栅温度实时监测系统，对电力电 缆的监护，可以将光纤光栅温度传感器紧贴在电缆的表面，在取得了电 缆表面数据后，将电缆的负荷电流同时描绘成一组相关曲线，并从电流 值推算出芯线导体的温度系数，从表面的温度变化之差（相同时刻比较） 便可以得到表面温度与运行负荷电流的关系，并以此来支持供电系统的 安全运行。
光纤光栅的分类 相移光纤光栅: 是在均匀周期光栅的某些特定点上，通过一些方法破
坏其周期的连续性得到的 既有布喇格光栅的 反射特性，亦有长 周期光栅的包层模 祸合特性
超结构光栅:
其折射率调制不是连续的而是周期性间断的，相当于 在布拉格光栅的折射率正弦调制上加了一个方波型包 络函数。
光纤光栅的优势 作为传感器，光纤光栅与传统的电传感器等相比尤其独 特的优点: 1.传感头结构简单、体积小、重量轻、外形柔软可变， 适合附着在被测结构表面也可以埋入大型结构中，测量 结构内部的应力、应变及结构损伤等，实现无损伤检测。 稳定性高，重复性好。 2.光纤轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构 成传感阵列，与波分复用和时分复用等复用技术相结合， 实现多点、分布式传感。这使得“蒙皮”(又称“智能皮 肤”)技术能够变为现实，并在大型土木结构的健康监测 等方面有重要应用。因此人们十分重视该领域的研究， 并且它已成为传感领域重要组成部分。
极高UV曝光量，瞬间局部温度达上千度 物理破坏引起折射率变化 折射率变化⊿n可达10-2 温度稳定性好（800℃）
只能使用脉冲激光
光纤光栅的分类 3、根据空间折射率调制周期和分布的不同分类 1）均匀光纤光栅：光栅的光学周期沿轴向保持不变 光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating）：
最早发展起来的一种光栅，也是目前使用最广泛的一种光栅，
光纤光栅与结构集成工艺
光纤光栅的发现与发展