封装创新驱动：光纤光栅传感器实现多参数高精度测量

光纤光栅（FBG）传感器凭借其高精度、高灵敏度、体积小、可曲绕及能埋入的显著优势，近年来在传感领域取得了迅猛发展。为了克服裸光纤光栅易损的缺点，提升其使用寿命和传感性能，​先进的封装技术成为关键。通过精心设计的封装结构与材料选择，光纤光栅传感器已成功应用于温度、应变、压力、加速度等多种物理量的精密测量，展现出巨大的应用潜力。

​封装：提升性能与应用多样性的核心​

光纤光栅传感器的封装方式多种多样，不仅提供保护，更可针对性地增强特定传感性能或消除干扰。根据结构可分为管式、基片式、嵌入式、悬空式等；按功能目的则主要分为保护性封装、增敏性封装和补偿性封装。以下介绍几种主流封装形式的典型应用：

​1. 光纤光栅温度传感器：精密测温，隔离应变干扰​
温度测量是光纤光栅最早的应用之一。其原理基于热胀冷缩引起的光栅周期和有效折射率变化，从而导致中心波长漂移。为保护脆弱的裸纤并解决温度-应变交叉敏感问题，​毛细钢管封装成为主流方案（图1）。该结构将光纤光栅封装于内层毛细玻璃管（一端固定，一端自由松弛），外部再套以钢管保护，中间填充高温导热油以加速热传递。这种设计有效屏蔽了外部应变影响，实现了稳定可靠的温度监测。

图1 光纤光栅温度传感器封装示意图

​2. 光纤光栅应变传感器：结构健康监测基石，兼顾温度补偿​
应变传感是光纤光栅最经典的应用。受力时产生的弹光效应导致其中心波长偏移。此类传感器通常需通过粘结剂固定于被测物表面，实现协同形变。​表贴式封装​（如工字型结构，图2）将光纤光栅粘贴于工字钢梁中心，两翼基座固定待测结构。该结构防护性好、存活率高、线性度优（需考虑约20%的应变传递损失并进行校准）。​解决交叉敏感性是工程应用的关键。图3，展示了带温度补偿的设计：在钢管内封装两个光栅，一个受应变和温度共同影响（紧护套），另一个仅受温度影响（松护套，可自由移动），通过后者精确测量温度并进行补偿，实现纯粹的应变测量。

图2 工字型光纤光栅应变传感器封装示意图

图3 带温度补偿的光纤光栅应变传感器封装示意图

​3. 光纤光栅压力传感器：增敏设计提升灵敏度​
裸光纤光栅对压力响应微弱，灵敏度低。目前主流方案通过封装设计转换为光栅轴向应变进行测量。​悬臂梁粘贴式​（图4）将粘贴有光纤光栅的悬臂梁封闭于金属壳内，压力通过传递柱使悬臂梁挠曲变形被光栅感知。该方式保护性强、测试压力范围大、精度高。另一种是嵌入式​（图5），将光纤光栅嵌入弹性模量小、压力敏感性强的聚合物材料（增敏材料）中，外部金属壳保护。压力引起聚合物形变带动光栅拉伸。该方式结构简单、灵敏度高，但聚合物材料的老化可能影响长期稳定性和精度。

图4 悬臂梁粘贴式光纤光栅压力传感器封装示意图

图5 嵌入式光纤光栅压力传感器封装示意图

​4. 光纤光栅加速度传感器：动态测量的创新应用​
此类传感器利用弹性元件将加速度振动转化为光纤光栅的应变。​悬臂梁配重块式​（图6）结构简单，适用于低频振动测量（粘贴光栅于梁上），但需注意温度补偿。​铰链式​（图7）则将光纤光栅悬空粘贴于柔性铰链两端（常上下粘贴一对光栅）。该设计无机械摩擦、精度高、内置的光栅对可实现温漂自补偿，提升了测量可靠性。

图6 梁式光纤光栅加速度传感器封装示意图

图7 铰链式光纤光栅加速度传感器封装示意图

​行业展望​
封装技术的持续创新是光纤光栅传感器拓展应用边界、提升综合性能的核心驱动力。从保护到增敏再到精密补偿，封装赋予了光纤光栅在复杂恶劣环境下对各种物理量进行长寿命、高可靠性、多功能集成精密测量的能力。随着新材料和新结构的不断涌现，光纤光栅传感器在结构健康监测、工业过程控制、能源、航空航天、生物医疗等领域的应用深度和广度将进一步扩展。