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 ]C!Y~  
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一、引言 !lt\2Ae  
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光纖光柵這一新型光子器件自其問世起就一直為人們所重視。近年來，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越受到人們的重視。本文通過對(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。 c}I8!*\  
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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 E=tx.h4xG~  
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1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) B1i!te}*  
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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)力的糾纏問題；最后就是傳感器封裝過程中材料與結(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)量過程中的應(yīng)力糾纏問題并且在充分保護(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。 rz%[o,s  
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在一個(gè)長(zhǎng)40mm，寬10mm的薄鐵片上開一個(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)（見圖1），然后在內(nèi)部的矩形上開一個(gè)橫向的凹槽用來放置光纖光柵（見圖1），在使用的過程中，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，來完成溫度的獨(dú)立測(cè)量。 ,N@Icl  
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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] +(h6{e%)  
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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。 G+QNg.pH  
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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。 ;]#4p8lh+  
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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) ]9yA0,z/  
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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] e2=,n6N]c  
    布拉格公式可以表示為：            （1） &L~31Ayj&  
    其微分表達(dá)式為：                （2） 'i h  
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溫度變化所引起的波長(zhǎng)漂移可以表示為： |@Idf`N$  
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                          （3） ~|B!.+  
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