光纤光栅的封装

光纤光栅传感器的封装设计

一、高温光纤光栅温度传感器的封装设计

1.实用化高温光纤光栅温度传感器的设计要求

a.高温光纤光栅的自身要求

高温光纤光栅在高温环境下进行长期工作时，要求其反射率不会发生大幅度的衰减。

b.应用环境的要求

传感器的结构设计要能够便于实际的工程安装，尽量避免安装环境的差异导致传感器特性的改变，如外界应力作用于传感器导致光纤光栅的波长漂移、反射率下降等负面影响。同时要确保正常的现场施工不会对传感器和连接的光缆造成严重破坏，要能够保证信号的正常采集与传输。

c.使用寿命的要求

传感器的寿命与传感器的应用环境直接相关，高温环境将大幅度地缩减传感器的寿命。因此，在确保传感元件自身寿命的前提上，要尽量减小因封装技术给传感器寿命带来的负面影响。封装高温光纤光栅传感器的各种材料都要能够承受高温环境的长期考验，尤其需重视胶水的高温稳定性。

2.实用化高温光纤光栅温度传感器的设计思路

高温光纤光栅温度传感器的封装工作主要分为：材料的选择、封装结构的设计、相关的封装工艺。

a.材料的选择

在选择封装材料时，要确保他们在高温环境下的稳定性。

1）胶水的选择

Fireplace Sealant ST-1260 是一种单组份中性结构胶，具有防火阻燃、抗位移、高强度等优良特性。对玻璃、金属、陶瓷等有良好的粘附力，其邵氏硬度为60A，拉伸强度为8 MPa，良好的抗UV 性，防火阻燃等级达UL94-V0 级，温度工作范围从-40°C 到1260°C。因此，Fireplace Sealant ST-1260 胶可以用于光纤光栅尾纤的固定以及传感器的密封。

托马斯耐高温胶（THO4098）是一种单组份粘稠高温胶水，低温加热固化型，固化后表面平整、光洁、无气泡，可用于光纤光栅两侧尾纤的固定。其温度工作范围为-66~460°C，粘接强度高，韧性好、抗冲击等。适应范围广，耐高温、压

强、腐蚀等，阻燃性达UL94-V0 级。因此，当环境温度处于-66~460°C时，优先选择THO4098 胶水来固定光纤光栅两侧的尾纤。

2）结构材料的选择

可用耐高温钢（GH2036）以及陶瓷作为高温光纤光栅传感器的封装材料。

高温合金（GH2036）是能在600~1200°C 的高温环境以及一定应力作用下长期工作的铁、镍、钴合金，具有良好的抗氧化、抗疲劳性能、断裂韧性等性能。高温合金是广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一种重要材料，也可用其他型号的高温合金（GH4033、Incoloy800、Inconel600 等）作为封装材料。

陶瓷材料具有高熔点（大多在2000°C 以上）、耐氧化、电绝缘性、耐腐蚀等优点，并且陶瓷的热膨胀系数比金属低，故具有良好的尺寸稳定性。因此，陶瓷封装的光纤光栅传感器可用于强电场、强磁场环境（如电力系统）的测温。

3）高温导热油的选择。

导热油可以提高传感器外界温度和传感元件之间的热传导速度。目前，高温导热油的最高工作温度一般为300°C，高于300°C 的温度会导致导热油老化与降解。

4）高温光缆的简易制备

高温耐火线（GN600-04 耐火线）作为光纤的保护套管，其组成部分为耐高温纱、玻璃纤维编织、氟金云母带。该保护层能够承受1000°C 的高温，同时具有良好的耐老化、抗强酸强碱、使用寿命长等优点。同样可以采用高温耐火金属套管作为光纤的保护套管，其工作温度能够承受660°C。

耐高温金属套管(左)和GN600-04 耐火线(右)的实物图

b.封装结构的设计

1）金属封装的高温光纤光栅温度传感器A

高温光纤光栅保护于毛细玻璃管中，一端用高温胶水固定另一段自由松弛在玻璃管内，该结构可以使光纤光栅有效地屏蔽外界应变的影响。在光纤光栅和毛细玻璃管之间可以填充高温导热油来提高传感器的热传导速度。采用了卡环和保护弹簧一起来固定和保护接头处的光缆；其优点是现场安装方便、灵活。采用单端出缆技术，结合星型拓扑结构布置测温点的方法可以在狭小空间内进行安装测试，以降低传感器对被测环境的影响。主要用于狭小空间的石油化工场所以及某些缸体、油管、汽管等狭小空间工业设备的测温。

金属封装的高温光纤光栅温度传感A的封装设计图

金属封装的高温光纤光栅温度传感器A的实物图

该封装结构包括外部保护管与内部支架两部分，其尺寸要求是内部支架恰好与保护管的内壁接触，相互之间不会产生较大的应力作用。当外界应力使金属保护管产生应变时，只有小部分应力作用于内部固定支架，通过这样的封装结构可以有效的降低环境对传感元件的应变传递。其次将高温光纤光栅两侧的尾纤用高温胶水固定在内部支架上，使得中间栅区处于松弛状态。当外界应变向传感器内部传递时，即内部支架产生应变（伸长或缩短），中间松弛的栅区可以通过调整微小的角度来屏蔽外界较大的应变影响。可以通过串连和波长编码来进行数个传感器的同时监测，有效的缩短了光缆的使用量。

金属封装的高温光纤光栅温度传感B的封装设计图

金属封装的高温光纤光栅温度传感器B 的实物图

采用陶瓷外壳保护内部传感元件，内部毛细玻璃管主要是固定光栅尾纤。当外界应力作用于陶瓷外壳时，陶瓷外壳将会产生一定的形变，玻璃毛细管和卡环之间的尾纤将会自动调整长度，使毛细管无应变产生。其次，玻璃毛细管和光纤光栅有着基本相同的热膨胀系数，在温度发生变化的过程中，玻璃毛细管与光纤光栅之间不会产生额外的应力。

陶瓷封装的高温光纤光栅温度传感器具有高绝缘性能，可用于强电场、强磁场的电力场所（发电厂和变电站等）的温度监测。

陶瓷封装的高温光纤光栅温度传感器的结构设计图

陶瓷封装的高温光纤光栅温度传感器的实物图

参考文献：

1.高温光纤光栅的制备与研究_杨樟成