光纖光柵金屬基片式封裝結(jié)構(gòu)及其溫度傳感特性研究 Nt67Ye3;  
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一、引言 N-jFA8n  
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光纖光柵這一新型光子器件自其問(wèn)世起就一直為人們所重視。近年來(lái)，光纖光柵在傳感和通信領(lǐng)域的應(yīng)用研究尤為引人注目。作為傳感元件，光纖光柵將被感測(cè)信息轉(zhuǎn)化為其反射波長(zhǎng)的移動(dòng)，即用波長(zhǎng)編碼，因此不受光源功率波動(dòng)和系統(tǒng)損耗的影響。此外，光纖光柵具有可靠性好、抗電磁干擾、抗腐蝕等特點(diǎn)。光纖光柵溫度傳感器由于具有上述優(yōu)點(diǎn)使其能夠應(yīng)用于其它類型的溫度傳感器所不適合的場(chǎng)所，如：材料或結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的直接監(jiān)測(cè)、高溫高壓環(huán)境下溫度的測(cè)量、測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合以及光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的溫度補(bǔ)償?shù)�。正是由于這些原因使得光纖光柵溫度傳感器越來(lái)越受到人們的重視。本文通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研制了一種新穎的光纖光柵溫度封裝結(jié)構(gòu)并研究了該結(jié)構(gòu)封裝光纖光柵的溫度傳感特性。 hF+YZU]rT  
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二、金屬基片式封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論分析 -"Lia!Q]M  
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1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) O<S*bN>BF  
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在光纖光柵溫度傳感器的設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面：首先，由于光纖光柵的溫度系數(shù)較小，其單獨(dú)作為溫度傳感單元的靈敏度不高，為了提高靈敏度可將光纖光柵粘貼于熱膨脹系數(shù)較大的基底材料上；其次，在設(shè)計(jì)中還要考慮實(shí)際應(yīng)用中溫度與應(yīng)力的糾纏問(wèn)題；最后就是傳感器封裝過(guò)程中材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要能夠保證傳感器在實(shí)際使用中的安全性和穩(wěn)定性。綜合以上因素我們?cè)O(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)解決了溫度測(cè)量過(guò)程中的應(yīng)力糾纏問(wèn)題并且在充分保護(hù)光纖光柵的基礎(chǔ)上提高了靈敏度，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。 5ej
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在一個(gè)長(zhǎng)40mm，寬10mm的薄鐵片上開(kāi)一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的槽（金屬基片的尺寸根據(jù)待測(cè)構(gòu)件的大小以及應(yīng)用環(huán)境酌情考慮），這樣金屬基片就形成了內(nèi)外兩個(gè)矩形結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），然后在內(nèi)部的矩形上開(kāi)一個(gè)橫向的凹槽用來(lái)放置光纖光柵（見(jiàn)圖1），在使用的過(guò)程中，把光纖光柵用選配的環(huán)氧樹脂膠粘試劑剛性的對(duì)稱粘貼于金屬基片的中心部位上，整個(gè)結(jié)構(gòu)只通過(guò)外層矩形結(jié)構(gòu)與待測(cè)構(gòu)件進(jìn)行固定，從而保持內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受應(yīng)力的作用，來(lái)完成溫度的獨(dú)立測(cè)量。 /MsXw/],  
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2、結(jié)構(gòu)應(yīng)力的有限元分析與結(jié)構(gòu)拉伸實(shí)驗(yàn)[1][2] R`G%eG)+  
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為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，我們利用ANSYS8.0構(gòu)建了結(jié)構(gòu)的三維模型，并對(duì)模型在不同受力地點(diǎn)和應(yīng)力大小的情況下的應(yīng)力分布作了模擬（外層做了全方位約束）。結(jié)果如圖2所示。 Bcrd}'no  
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分析結(jié)果表明在外層三維約束的情況下(模擬結(jié)構(gòu)固定在待測(cè)結(jié)構(gòu)上的情況)，外層矩形在受到不同應(yīng)力作用時(shí)，內(nèi)層矩形結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布均不發(fā)生改變。為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)論，我們利用電子實(shí)驗(yàn)機(jī)和電子引伸計(jì)對(duì)封裝完光纖光柵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示，反射波長(zhǎng)不受縱向拉伸應(yīng)變的影響。以上的分析與實(shí)驗(yàn)表明該結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 s!Y>\3rMW  
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三、金屬基片式環(huán)氧樹脂封裝光纖光柵溫度傳感實(shí)驗(yàn) vuuID24:  
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1、片式環(huán)氧樹脂封裝光纖光柵溫度傳感原理[3][4] $rs7D}VNc  
    布拉格公式可以表示為：            （1） c;w c
gU  
    其微分表達(dá)式為：                （2） `>rdn*B  
u)&6;A4  
溫度變化所引起的波長(zhǎng)漂移可以表示為： PmvTCfsg  

"KOLRJ@  
                          （3） P^v`
5v  
J[L$8y:  
式中，a—光纖材料的膨脹系數(shù)， ； !#3#}R.$Fl  
6 )0$UW  
x—光纖的熱光系數(shù)， ； &k&tkE  
%&Z!-k(  
neff—光纖有效折射率；lB—布拉格波長(zhǎng)；L—光柵周期。 -}2q-  
:CSys62
 
當(dāng)光纖光柵粘貼到熱膨脹系數(shù)較大的金屬基底上時(shí)，溫度變化所引起的波長(zhǎng)漂移可以表示為： #PoUCRR
C  
>~TLgq*  
         （當(dāng) ）       （4） E~2}rK+#)  
h\C  
其中，K—溫度靈敏度系數(shù)， ；pe—光纖的彈光系數(shù)。 4xT(Uj  
A[XEbfDO  
2、金屬基片式封裝光纖光柵溫度傳感特性實(shí)驗(yàn)