光纤光栅—光纤光栅传感器的核心器件

光纤光栅传感器具有精度高、灵敏度高、体积小、可弯曲、可埋入结构内部等优点。光纤光栅传感器近年来在传感领域发展迅速，已成为最具代表性的光纤传感技术之一，基于该技术的各类新型传感器正不断涌现。

光纤光栅本质上属于光纤类敏感元件，裸纤直接使用易受损伤。为延长其使用寿命、改善传感性能，通常需要对其进行封装保护。通过设计不同的封装结构、选用不同的封装材料，可使光纤光栅适用于多种工程场景，实现温度、应变、压力、加速度等物理量的测量。

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，光纤光栅被封装在毛细玻璃管内，一端用胶固定，另一端自由松弛；毛细玻璃管外部再套以不锈钢管进行防护，管内填充高温导热油以提升温度传递速率。该结构可使光纤光栅有效屏蔽外界应变干扰，既实现了对光栅的保护，又解决了光纤光栅温度–应变交叉敏感问题。

               图1

光纤光栅应变传感器

应变测量是光纤光栅传感器最经典的应用方向。其传感机理基于弹光效应：当光纤光栅受到轴向作用力时，光栅周期与有效折射率发生变化，引起中心波长漂移；通过建立应变量与波长偏移量的关系，即可实现应变检测。在实际测量中，光纤光栅应变传感器需通过粘结剂粘贴于被测结构表面，使光栅与结构协同变形，从而测得待测物的应变。

如图 2 所示，表贴式光纤光栅应变传感器常采用工字型结构封装，以工字型钢片为基体，将光纤光栅粘贴于钢片中心轴位置，两侧基座通过螺栓固定于被测结构。试验表明，该封装结构对光栅保护效果好、器件存活率高，应变与波长线性度优良，但测量点存在约 20% 的应变传递损失，可通过系数校准进行修正。

 图2

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，在不锈钢管内封装两支光纤光栅：一支光栅置于紧护套中，随钢管受力产生应变，同时受温度与应变影响；另一支光栅置于松护套内可自由伸缩，仅对温度响应。利用后者的纯温度信号，即可实现对应变测量的温度补偿。

 图3

光纤光栅压力传感器

裸光纤光栅对直接压力作用响应微弱，波长漂移量小、压力灵敏度低，必须通过合理封装实现增敏。目前主流光纤光栅压力传感器多通过转换结构将压力转化为轴向应变进行检测，主要分为粘贴式与嵌入式两类。

如图 4 所示，悬臂梁粘贴式光纤光栅压力传感器将悬臂梁封装于密闭金属壳体内部，光纤光栅粘贴在悬臂梁上，压力传递柱作用于悬臂梁自由端。当外界施加压力时，传递柱使悬臂梁发生弯曲变形，光栅通过检测应变实现压力表征。该封装方式对光栅保护性好，可测量较大压力，测量精度较高。

 图4

如图 5 所示，嵌入式光纤光栅压力传感器将光纤光栅直接埋入聚合物等增敏材料内部，外部配以金属外壳保护。聚合物弹性模量小、对压力敏感，受压时可带动光栅产生轴向拉伸，从而实现压力测量。该结构简单、灵敏度高，但测量精度有限，且聚合物易老化，长期稳定性较差。

 图5

光纤光栅加速度传感器

光纤光栅加速度传感器通过弹性元件，将加速度振动引起的位移转化为光纤光栅应变，进而实现波长调制。弹性元件对振动信号的传递性能直接决定传感器精度。按照弹性元件结构，可分为梁式、弹片式、铰链式等类型。

如图 6 所示，梁式光纤光栅加速度传感器由悬臂梁与配重块组成，光纤光栅粘贴于悬臂梁表面。当存在加速度振动时，配重块在惯性作用下使悬臂梁产生弯曲变形，通过光栅应变实现加速度测量。该结构简单，适用于低频振动监测，但因采用粘贴式应变测量，受温度影响明显，需配套温度补偿设计。

        图6                                                                         图7

如图 7 所示，铰链式光纤光栅加速度传感器将光纤光栅悬空粘贴于柔性铰链两端，工作原理与梁式结构类似。通过在铰链上下悬空位置对称布置两支光栅，可实现相互补偿。该结构具有无摩擦、测量精度高、基本不受温度干扰等优势，适用于高精度加速度测量场景。