與一般傳感器的設(shè)計(jì)類似，光纖光柵傳感器的設(shè)計(jì)也要遵循以下的基本原則
（1）相容性
將光纖傳感器成功應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，其最重要的技術(shù)難點(diǎn)之一就是傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)之間的相容性問(wèn)題，即傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)的變形匹配問(wèn)題，傳感器以與被測(cè)結(jié)構(gòu)材料基質(zhì)的性質(zhì)越相近越好。盡量避免或減小對(duì)被測(cè)對(duì)象物理特性的影響，必須從以下幾個(gè)方面考慮：
①強(qiáng)度相容：埋設(shè)或粘貼的傳感器不能影響被測(cè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度或者影響很小。
②界面相容：傳感器的材料外表面與結(jié)構(gòu)材料要有相容性。
③尺寸相容：傳感器的長(zhǎng)度要與結(jié)構(gòu)構(gòu)件相比體積應(yīng)盡量小，保證傳感器與待測(cè)結(jié)構(gòu)變形相匹配。
④場(chǎng)分布相容：傳感器材料不能影響待測(cè)結(jié)構(gòu)的各種場(chǎng)分布特性，如應(yīng)力場(chǎng)。
（2）傳感特性
裸光纖光柵是優(yōu)良的傳感元件，在封裝后要盡量保持其固有的優(yōu)良特性，而其傳感特性與封裝結(jié)構(gòu)、封裝材料和封裝工藝密切相關(guān)。
（3）工藝性
傳感器的設(shè)計(jì)要盡量簡(jiǎn)單、便于加工，封裝的各個(gè)傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)要保證基本一致，以達(dá)到對(duì)傳感器的一致性和重復(fù)性的要求，便于批量生產(chǎn)。
（4）使用性能
傳感器的安裝、保護(hù)和調(diào)試要簡(jiǎn)單、方便，最好可重復(fù)使用，并滿足大型工程結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)的施工要求。
光纖光柵傳感器的設(shè)計(jì)最終目的，是為了在實(shí)際工程上的應(yīng)用。因此在光纖光柵傳感器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了需要考慮光纖光柵傳感的基本原理外，還應(yīng)當(dāng)考慮到實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中的復(fù)雜情況。歸納起來(lái)，實(shí)際工程化對(duì)光纖光柵傳感器的設(shè)計(jì)工作提出了以下的要求:
一、性能指標(biāo)要求
即傳感器的感測(cè)物理量與傳感器中心波長(zhǎng)之間的函數(shù)關(guān)系要準(zhǔn)確，產(chǎn)品一致性、量程和測(cè)量精度滿足工程要求。
二、穩(wěn)定性和重復(fù)性要求
要求傳感器的穩(wěn)定性高，尤其是長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的穩(wěn)定性與重復(fù)性保證在1%FS。
三、工程適應(yīng)性
便于工程安裝，安裝過(guò)程不影響傳感器性能。傳感器保護(hù)好，傳感器本身和串接的光纖連接安全科學(xué)，正常工程施工活動(dòng)不會(huì)對(duì)傳感器和連接光纜造成損壞。
四、壽命要求
與建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命相關(guān)，一般建筑設(shè)計(jì)使用壽命30年，大型橋梁50年，大壩100年。傳感器產(chǎn)品壽命目前沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，一般根據(jù)測(cè)試需要確定。
五、符合標(biāo)準(zhǔn)和使用習(xí)慣
產(chǎn)品符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和工程的使用習(xí)慣，對(duì)尚沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的新產(chǎn)品，應(yīng)盡可能參照傳統(tǒng)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和尺寸。
工程化光纖光柵傳感器件的設(shè)計(jì)主要從三個(gè)方面著手：一是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，二是材料選擇，三是工藝選擇。雖然光纖光柵傳感器是一種新型傳感器，但在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)應(yīng)盡可能的參考傳統(tǒng)傳感器。如此，一方面可以吸收傳統(tǒng)傳感器在設(shè)計(jì)上的優(yōu)點(diǎn)，另一方面做出的傳感器在性能和外觀上使客戶容易接受。
一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的，是使傳感器對(duì)被測(cè)物理量敏感，同時(shí)盡量對(duì)其他物理量減敏，并使傳感器的結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性，易于加工和生產(chǎn)。針對(duì)不同的被測(cè)物理量，需要采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
二、材料選擇
由于不同材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)不同，如彈性模量不同(即受力不同)。因此，需要針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的材料。若應(yīng)用在高溫環(huán)境中，則需要采用耐高溫材料對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝。
三、工藝選擇
在確定了傳感器的結(jié)構(gòu)并選定了使用材料后，選擇合適的封裝工藝就成為決定光纖光柵傳感器質(zhì)量的重點(diǎn)。為此，必須進(jìn)行大量的技術(shù)探索和工藝實(shí)驗(yàn)，以便獲得工程化光纖光柵傳感器的實(shí)際研制經(jīng)驗(yàn)。
1.1 光纖光柵應(yīng)變傳感器
作為傳感用的光纖光柵最初是應(yīng)用于航空、航天等軍事領(lǐng)域。它能測(cè)量多種物理量，如應(yīng)變、應(yīng)力、溫度、振動(dòng)、壓力等。其中應(yīng)變是反映材料和結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的重要參數(shù)之一，從材料和結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變分布情況能夠得到構(gòu)件的強(qiáng)度儲(chǔ)備信息，確定構(gòu)件局部位置的應(yīng)力集中以及構(gòu)件所受實(shí)際載荷狀況。在對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)中，通常是利用電阻應(yīng)變計(jì)進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)。但是由于電阻應(yīng)變計(jì)的諸多缺點(diǎn)，如易受電磁信號(hào)干擾、易受外界環(huán)境腐蝕、埋入工藝復(fù)雜、壽命短、導(dǎo)線埋入數(shù)量多等，所以使其無(wú)法滿足實(shí)時(shí)、在線的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)要求。近年來(lái)，人們進(jìn)行了大量的工作，利用光纖光柵(FBG)替代電阻應(yīng)變計(jì)，將之埋入到混凝土結(jié)構(gòu)中來(lái)監(jiān)測(cè)應(yīng)變。美國(guó)多倫多大學(xué)的Measures等人在1993年在Calgurg市的世界首座預(yù)應(yīng)力碳纖高速公路橋上埋入了光纖Bragg光柵，并對(duì)其內(nèi)部的應(yīng)變變化狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。香港理工大學(xué)的Chan等人利用布拉格光柵測(cè)量了被復(fù)合材料包裹的矩形截面混凝土梁的應(yīng)變。
由于裸光纖光柵非常纖細(xì)，直徑只有125μm，其抗剪能力很差，在混凝土澆注過(guò)程中難以存活，將之單獨(dú)埋入到混凝土中非常困難，所以一般是將裸光柵粘貼在受力筋、結(jié)構(gòu)表面或者采用特殊方式封裝光纖光柵后埋入混凝土；在表面粘接測(cè)量時(shí)，裸光纖光柵安裝工序比較繁瑣，而且需要現(xiàn)場(chǎng)的光纖焊接工作，在粗放式的施工條件下，安裝工作很難進(jìn)行。
目前，國(guó)際上光纖光柵傳感器主流的封裝方式為表面粘貼式和細(xì)徑管保護(hù)式。表面粘貼式將光纖光柵首先粘貼在膠基基片或者刻有凹槽的剛性基板上，做成傳感器并保護(hù)好接頭后使用。有時(shí)也將光纖光柵直接粘貼在待測(cè)結(jié)構(gòu)表面，但由于粘貼工藝復(fù)雜成功率低而較難在實(shí)際工程中大范圍應(yīng)用。細(xì)徑管保護(hù)式通過(guò)將裸光纖光柵放入直徑較小的鋼管中，中間灌滿環(huán)氧樹脂等膠加以保護(hù)。由于具體的實(shí)際封裝工藝和措施一般是各公司的保密技術(shù)，文獻(xiàn)中鮮有介紹。英國(guó)的Smart Fibers公司將FBG粘在膠基板上；而瑞士的Smartec通過(guò)管式封裝以補(bǔ)償溫度的影響；Whelan等將FBG封裝在鋼管中兩端固定在大理石板上，監(jiān)測(cè)意大利Como湖畔的大教堂。國(guó)內(nèi)，周智博士等開(kāi)發(fā)了不銹鋼毛細(xì)管式封裝的光柵光纖傳感器，李東升等將光纖光柵封裝在有機(jī)玻璃板上對(duì)同樣是有機(jī)玻璃材料的單立柱導(dǎo)管架海洋平臺(tái)模型進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。
應(yīng)變直接影響光纖光柵的波長(zhǎng)漂移，在工作環(huán)境較好或是待測(cè)結(jié)構(gòu)要求精小傳感器的情況下，人們將裸光纖光柵作為應(yīng)變傳感器直接粘貼在待測(cè)結(jié)構(gòu)的表面或者是埋設(shè)在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。由于光纖光柵比較脆弱，在惡劣工作環(huán)境中非常容易破壞，因而需要對(duì)其進(jìn)行封裝后才能使用。
基片式封裝包括金屬基片封裝和樹脂基片封裝。如圖4.1所示，封裝結(jié)構(gòu)主要由金屬薄片（或樹脂薄片）、膠粘劑、護(hù)套、尾纖、傳輸光纜組成。該封裝結(jié)構(gòu)的基本思想是將光纖光柵封裝在刻有小槽的基片上，通過(guò)基片將被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳到光柵上。小槽的主要目的是增大光纖光柵與基片的接觸面積，使其形成有機(jī)的整體，同時(shí)起到保護(hù)光柵的目的。
圖4. SEQ 圖4. \* ARABIC 1 基片式封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器示意圖
這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，但容易產(chǎn)生應(yīng)變傳遞損耗，使得測(cè)量精度有所降低。另外，光纖的保護(hù)也是這類型傳感器需要注意的問(wèn)題。
1. 樹脂基片封裝
圖4. SEQ 圖4. \* ARABIC 2 樹脂基片式封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器外觀圖
圖4.2是MOI公司推出的一種采用樹脂薄片封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器。該封裝結(jié)構(gòu)的基本思路是將光纖光柵封裝于樹脂薄片內(nèi)部中。樹脂薄片粘貼于被測(cè)物體表面。當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生形變時(shí)，應(yīng)變傳遞到樹脂薄片上，再傳遞于光纖光柵上，使其波長(zhǎng)發(fā)生變化。
2. 鋼片封裝
提出了一種基于鋼片封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器。封裝結(jié)構(gòu)如 圖4.3所示。厚度為2mm的工字型鋼片，中部鋼片寬5mm，長(zhǎng)100mm。兩側(cè)鋼片寬20mm，長(zhǎng)30mm。在中部鋼片的兩側(cè)各焊接厚度5mm，直徑20mm的圓形鋼片以增加封裝結(jié)構(gòu)與基體混凝土材料的錨固。在圓形鋼片上預(yù)留3mm×3mm方孔以方便光纖的布設(shè)。他們將封裝結(jié)構(gòu)用固定在鋼筋架上的金屬絲固定在試驗(yàn)梁跨中混凝土截面中，這樣就避免了振搗棒與之接觸。實(shí)驗(yàn)證明，這種封裝結(jié)構(gòu)的傳感器存活率高，應(yīng)變變化與波長(zhǎng)變化的線性度好，但測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變的傳遞損耗為21%，這與封裝結(jié)構(gòu)所選的襯底、粘接層以及固定方法都有關(guān)系。
3. 鈦合金片封裝
于秀娟等人開(kāi)發(fā)了一種基于鈦合金基片封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器。傳感器的鈦合金片封裝工藝如圖4.4所示。將FBG用雙組分的M-Bond 610膠封裝在刻有細(xì)槽的鈦合金片內(nèi)部，鈦合金的編號(hào)為TC4。封裝時(shí)，保證FBG平直并位于細(xì)槽的地面中軸線上。用注射器向槽內(nèi)注入M-Bond膠時(shí)，要適當(dāng)加熱以增加膠的流動(dòng)性，保證槽內(nèi)充滿密實(shí)，并減小形成氣泡的可能性，還要保證膠不溢出槽外。為了保護(hù)兩端的光纖，分別在兩端加上保護(hù)套，而保護(hù)套可以固定在鈦合金片兩端預(yù)先加工的開(kāi)孔內(nèi)。
為了研究鈦合金片封裝后的FBG傳感器的應(yīng)變傳感特性，把封裝好的2個(gè)FBG傳感器(分別為1550.4nm和1550.6nm)和裸FBG(為1546.5nm)用502膠粘帖于經(jīng)過(guò)拋光處理的等強(qiáng)度梁上，同時(shí)在相應(yīng)的位置布設(shè)高精度的電阻應(yīng)變片，通過(guò)砝碼加載，得到的波長(zhǎng)應(yīng)變曲線如圖4.5所示。從圖可以看出，2個(gè)鈦合金片封裝FBG傳感器應(yīng)變傳感的線性很好，經(jīng)過(guò)線性擬合和得到波長(zhǎng)和應(yīng)變的相關(guān)系數(shù)分別為0.99987、0.99990。與裸FBG的波長(zhǎng)應(yīng)變相關(guān)系數(shù)1.00000相比，說(shuō)明鈦合金片封裝FBG具有良好的應(yīng)變傳感性能。
為了研究鈦合金片封裝FBG的溫度傳感特性，把封裝好的FBG放溫控箱中，溫控箱的溫度分辨率為0.1℃。從室溫開(kāi)始加熱，加溫間隔為5℃，一直加熱到70℃。為了減小由溫度不平衡帶來(lái)的誤差，均在恒溫后1h記錄數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如 圖4.6所示。測(cè)得的鈦合金片封裝FBG的溫度靈敏度系數(shù)為19.7pm/℃。
這種鈦合金片封裝FBG傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且很容易安裝到被測(cè)物的表面，通過(guò)復(fù)用可以監(jiān)測(cè)大范圍空間內(nèi)的應(yīng)變情況，在航空航天結(jié)構(gòu)、飛機(jī)蒙皮、海洋平臺(tái)和大型建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中有著很好的應(yīng)用前景。
圖4. SEQ 圖4. \* ARABIC 7 嵌入式光纖光柵應(yīng)變傳感器
Moyoa等人開(kāi)發(fā)了一種碳纖維材料為基體的光纖光柵應(yīng)變傳感器，結(jié)構(gòu)圖如圖4.7所示。傳感器長(zhǎng)度為50mm，厚度為5mm。光纖光柵嵌入了碳纖維材料中，由于存在應(yīng)變傳遞損耗，改變了光纖光柵的應(yīng)變靈敏度，因此需要對(duì)該應(yīng)變傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。將光纖光柵傳感器和電阻應(yīng)變片相互緊貼的安裝在鋼筋上，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋼筋進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，同時(shí)記錄光纖光柵和電阻應(yīng)變片的響應(yīng)。圖4.8為該傳感器的應(yīng)變標(biāo)定結(jié)果圖。這兩種傳感器的相關(guān)系數(shù)為0.99，光纖光柵應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1.06pm/με。
圖4. SEQ 圖4. \* ARABIC 8 嵌入式光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定結(jié)果
管式封裝工藝應(yīng)注意以下問(wèn)題
(1) 光纖光柵毛細(xì)管封裝的核心工作是封裝工藝，封裝時(shí)必須保證光纖光柵準(zhǔn)確平直的在毛細(xì)管的正中間，若光柵不在毛細(xì)管的正中間，就會(huì)導(dǎo)致傳感器本身與待測(cè)結(jié)構(gòu)之間存在一個(gè)夾角，從而不能準(zhǔn)確的傳遞應(yīng)變。
(2) 傳感器外部的管式材料必須具有：耐腐蝕、疲勞特性好、彈性范圍寬、與基體材料粘接性能好等特點(diǎn)。考慮到不銹鋼與土木工程中常用到的混凝土或鋼材等材料有很好的粘接性，其溫度膨脹系數(shù)也基本一致，而且具有較好的抗腐蝕性能，推薦采用不銹鋼材料。
(3) 膠粘劑的選擇也必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳遞和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)需要，因此膠粘劑必須適用于光纖和不銹鋼的粘接性能，需要具有較高的抗剪強(qiáng)度和耐久性，能夠滿足封裝過(guò)程的順利進(jìn)行，而且需要具有一定的耐高溫的性能。
(4) 采用注膠法封裝光纖光柵時(shí)，應(yīng)避免膠粘劑內(nèi)產(chǎn)生微氣泡，否則當(dāng)膠粘劑固化時(shí)，會(huì)使光纖光柵產(chǎn)生不均勻變形，從而產(chǎn)生反射波長(zhǎng)多峰值現(xiàn)象。
任亮、李宏男等人開(kāi)發(fā)了一種毛細(xì)鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器，既可以粘貼于被測(cè)物體表面，也可以埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部測(cè)量其應(yīng)變變化情況。
光纖光柵管式封裝應(yīng)變傳感器的基本結(jié)構(gòu)形式如圖4.20所示。這種傳感器的結(jié)構(gòu)主要由毛細(xì)鋼管、光纖光柵、傳輸光纖、光纖套管以及膠粘劑組成。
光纖光柵管式封裝的核心工作是封裝工藝，因?yàn)樵摴に嚤仨毐ＷC光纖光柵封裝后準(zhǔn)確平直地在鋼管的中心位置。若光纖光柵不對(duì)直，就會(huì)與待測(cè)方向存在一個(gè)夾角而不能準(zhǔn)確傳遞真實(shí)的應(yīng)變。此外，封裝工藝還必須具有可重復(fù)性，保證封裝傳感器傳感特性的一致性。在這里采用了光纖精密調(diào)整架作為封裝平臺(tái)，可以高精度的調(diào)整光纖光柵位置，極大的提高了光纖光柵在封裝過(guò)程中的準(zhǔn)直度；采用高壓注膠法將環(huán)氧樹脂膠均勻的灌入，且完全充滿毛細(xì)管。待膠高溫固化后，傳感器即制作完成。
這種管式封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器封裝工藝不僅可以充分保證光纖光柵準(zhǔn)確對(duì)中的處于毛細(xì)鋼管的正中央，而且可以保證膠粘劑完全充滿毛細(xì)鋼管。這種封裝工藝簡(jiǎn)單易行，重復(fù)性好，可以使同批生產(chǎn)的光纖光柵應(yīng)變傳感器基本上具有相同的傳感特性，只需部分標(biāo)定就可以用于實(shí)際應(yīng)變測(cè)量工作。該封裝工藝具有加工方便、成品率高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足工業(yè)化大批量生產(chǎn)需要。
1）粘貼于金屬鋼板上的應(yīng)變傳感試驗(yàn) 采用的毛細(xì)鋼管外徑為1.2mm，內(nèi)徑為0.8mm，長(zhǎng)度為40mm。粘貼膠接劑采用普通環(huán)氧樹脂膠。將封裝好的管式光纖光柵應(yīng)變傳感器使用環(huán)氧樹脂膠粘貼于經(jīng)過(guò)拋光處理的彈簧鋼板上，在相應(yīng)位置布置裸光纖光柵，然后將鋼板在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，鋼板從0με逐點(diǎn)拉伸至500με，然后逐點(diǎn)卸載至0με；有機(jī)玻璃板從0με逐點(diǎn)拉伸至500με，隨即逐點(diǎn)卸載至0με。試驗(yàn)過(guò)程如圖4.21所示。在線彈性范圍內(nèi)，管式封裝光纖光柵傳感器與裸光纖光柵可以視為相同的應(yīng)變值。試驗(yàn)結(jié)果如圖4.22所示。
從管式封裝光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)變化—應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出，管式封裝光纖光柵傳感器具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.999以上。與裸光纖光柵對(duì)比，靈敏度存在一定的差異。
2）粘貼于有機(jī)玻璃板上的應(yīng)變傳感試驗(yàn) 為了研究不同基體材料對(duì)光纖光柵傳感器應(yīng)變傳遞率的影響，我們將一只管式光纖光柵應(yīng)變傳感器粘貼于有機(jī)玻璃板上對(duì)其應(yīng)變特性進(jìn)行研究。所采用的毛細(xì)鋼管外徑為1.2mm，內(nèi)徑為0.8mm，長(zhǎng)度為40mm。粘貼膠接劑采用普通環(huán)氧樹脂膠。將封裝好的管式光纖光柵應(yīng)變傳感器使用環(huán)氧樹脂膠粘貼于有機(jī)玻璃板上，在相應(yīng)位置布置裸光纖光柵，然后將鋼板在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，鋼板從0με逐點(diǎn)拉伸至500με，然后逐點(diǎn)卸載至0με；有機(jī)玻璃板從0με逐點(diǎn)拉伸至500με，隨即逐點(diǎn)卸載至0με。試驗(yàn)過(guò)程如圖4.21所示。在線彈性范圍內(nèi)，管式封裝光纖光柵傳感器與裸光纖光柵可以視為相同的應(yīng)變值。試驗(yàn)結(jié)果如圖4.23所示。
在有機(jī)玻璃板的應(yīng)變標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，管式光纖光柵和裸光纖光柵的應(yīng)變靈敏系數(shù)均有著顯著的降低。這說(shuō)明對(duì)于不同的基體材料，光纖光柵傳感器具有不同的應(yīng)變靈敏系數(shù)aε。相對(duì)于裸光纖光柵，管式光纖光柵傳感器的應(yīng)變靈敏系數(shù)降低的更為明顯。這是由于管式光纖光柵的芯徑比較大，在傳感器的位置形成了一個(gè)加強(qiáng)區(qū)域，使得應(yīng)變傳遞滯后，降低了傳感器的應(yīng)變靈敏系數(shù)。
金屬材料具有可焊、耐久、性能相對(duì)穩(wěn)定等特性，是理想的光纖光柵封裝方案。但是，金屬材料一般具有熔點(diǎn)高、硬度大、與非金屬石英光纖表面浸潤(rùn)性不好等性能，不能直接將金屬材料用于融焊封裝光纖光柵。隨著近代技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)非金屬表面金屬化的多種工藝方法，如真空蒸鍍法、濺射法、離子鍍法、離子束沉積法、電子束沉積法、準(zhǔn)分子激光蒸鍍法等物理的非金屬表面金屬化方法以及諸如化學(xué)還原法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、高溫分解法(熱噴涂法)、溶膠-凝膠法、電浮法、電化學(xué)沉積法、化學(xué)沉積法等化學(xué)的非金屬表面金屬化方法。
就光纖表面金屬化問(wèn)題而言，國(guó)外一些學(xué)者較早注意到這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)的Bnbel等于1989年對(duì)用于密封處理的表面金屬化光纖的力學(xué)性能的可靠性進(jìn)行了研究，表明其結(jié)果可靠；1998年，美國(guó)的Robert等人開(kāi)發(fā)出石英光纖表面金屬化封裝化學(xué)鍍技術(shù)并進(jìn)行了專利保護(hù)。國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的的研究較國(guó)外晚，電子科技大學(xué)的遲蘭洲、張聲峰最早從事這方面的研究，初步提出了光纖表面金屬化預(yù)處理的基本工藝流程及其機(jī)理、南京航天航空大學(xué)的楊春等人研究了在光纖端面鍍鎳膜和銀膜，并對(duì)鍍后的鎳膜和銀膜進(jìn)行了穩(wěn)定的熱處理，提高了鍍膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度，福州人學(xué)的曠戈研究了銀活化、把活化、銀把混合活化對(duì)光纖表面鍍層質(zhì)量的影響，李小甫等從通訊光纖的保護(hù)角度對(duì)光纖表面的金屬化下藝，如表面鍍鎳合金等下藝方法進(jìn)行了有效的研究，并形成了較好的下藝方法。光纖表面金屬化下藝改變了光纖保護(hù)、粘結(jié)必須依靠膠粘劑的被動(dòng)局面。
針對(duì)工程化應(yīng)用光纖光柵封裝傳感器的要求，光纖光柵的金屬化封裝工藝必須滿足:低溫(小于300℃)；生成的膜可導(dǎo)電，以滿足后續(xù)的電鍍加厚工藝要求；附著力高，疲勞性能好；鍍層本身延展性好等要求。由于光纖光柵采用的光纖經(jīng)過(guò)載氫和紫外光寫入照射，其強(qiáng)度有所下降，因此其金屬化工藝要求嚴(yán)格。根據(jù)目前己有的光纖金屬化工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光纖光柵表面的金屬化處理。
1. 光纖光柵的預(yù)處理
光纖是非導(dǎo)體，為了獲得理想的鍍層，需要對(duì)光纖進(jìn)行預(yù)處理，這一步非常重要，因?yàn)樗暮脡臎Q定著后面鍍層的好壞。預(yù)處理包括去保護(hù)層、粗化、除油、粗化、敏化和活化。
（1）去保護(hù)層（Removing coating）：由于光纖外面包裹有一層硅烷樹脂或環(huán)氧樹脂等類的保護(hù)層。為了以后的埋入效果，必須去除這層保護(hù)層?？梢允褂帽莨饫w25 分鐘左右除去這層保護(hù)層。
（2）除油（Removing grease）：在粗化之前，必須清除裸光纖表面上的油污。經(jīng)過(guò)除油的光纖表面能很快被水浸潤(rùn)，為化學(xué)粗化作好準(zhǔn)備，這對(duì)提高鍍層的結(jié)合力與維護(hù)粗化液的純潔性是有很大好處的。本實(shí)驗(yàn)用超聲波酒精清洗，最后用超聲波蒸餾水洗。
（3）粗化（Coarsening）：未經(jīng)粗化的光纖表面很光滑、平整，鍍層很難上去，粗化目的是增大光纖的表面微觀粗糙度和接觸面積，以及親水能力，以此來(lái)提高光纖與鍍層的結(jié)合力和濕潤(rùn)性。粗化有機(jī)械粗化和化學(xué)粗化等方法，光纖又細(xì)又脆，只能使用化學(xué)粗化的方法。一般來(lái)說(shuō)。化學(xué)粗化有兩種作用：第一是浸蝕作用。強(qiáng)酸、強(qiáng)氧化性的粗化溶液對(duì)光纖表面產(chǎn)生化學(xué)浸蝕，使光纖表面形成凹槽和微觀粗糙度及多孔性結(jié)構(gòu)。第二是氧化作用。強(qiáng)酸、強(qiáng)氧化性的粗化液，還能使光纖表面的部分分子鏈斷裂，促使光纖更加的親水性?？墒褂玫拇只号浞綖椋簹浞?span>:氟硅酸:水=1:1:3。粗化時(shí)間不宜長(zhǎng)，否則會(huì)破壞光纖，一般10min 左右。粗化后用超聲波蒸餾水清洗。
（4）敏化（Sensitization）：經(jīng)粗化后的光纖，表面達(dá)到了親水，敏化就是在經(jīng)過(guò)粗化后的光纖表面上，吸附一層容易還原的物質(zhì)，以便在下面活化處理時(shí)通過(guò)還原反應(yīng)，使塑料表面附著一層金屬薄層，它能勝任化學(xué)鍍的載荷電流。氯化亞錫（SnCl2）是最普遍使用的一種敏化劑。配方和工藝條件如下：氯化亞錫10g/l，鹽酸40ml，錫條一根，溫度25～35°C，時(shí)間10min，pH 值1～2。光纖經(jīng)過(guò)敏化處理，表面吸附的敏化液在清洗時(shí)發(fā)生水解反應(yīng)，反應(yīng)式為
SnCl2+H2O→Sn(OH)Cl+HCl
同時(shí)SnCl2+H2O → Sn(OH)2+2HCl
Sn(OH)Cl +Sn(OH)2→Sn2(OH)3Cl
這種產(chǎn)物沉積在光纖表面，形成一層幾十埃到幾千埃凝膠狀物質(zhì)。敏化后用蒸餾水清洗。
（5）活化（Activation）：活化處理就是給光纖表面一層很薄而具有催化性的金屬層。經(jīng)過(guò)敏化后的零件，表面吸附了還原劑，需要在含有氧化劑的溶液中進(jìn)行反應(yīng)，使貴金屬離子（如鈀）還原成金屬，在光纖表面形成“催化中心”，以便在化學(xué)沉積中加速反應(yīng)。所以活化處理過(guò)程的實(shí)質(zhì)是“播晶種”之意。 常用氯化鈀進(jìn)行活化。
2、光纖光柵化學(xué)鍍鎳
化學(xué)鍍鎳(Electroless Ni-plating)技術(shù)是在不加外電流的情況下，溶液中的鎳離子在具有催化活性的固體表面上被還原劑還原，生成的鎳金屬原子沉積在固體表面上，形成連續(xù)金屬鍍層的化學(xué)工藝技術(shù)?；瘜W(xué)鍍鎳技術(shù)在材料表面改性領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景，是當(dāng)今發(fā)展速度最快的表面處理工藝技術(shù)之一。
目前使用最多的鎳鹽是硫酸鎳(NiSO4?7H2O)，還原劑通常用次亞磷酸鈉(NaH2PO2?2 H2O)。鍍液中除了鎳鹽和還原劑外，通常還有絡(luò)合劑，緩沖劑等。絡(luò)合劑用于控制槽液中用于還原反應(yīng)的游離鎳，防止生成氫氧化鎳沉淀。緩沖劑用于防止沉積過(guò)程中由于析氫所引起的槽液pH值激劇變化。
3、光纖光柵金屬化后處理
化學(xué)鍍鎳層厚度比較薄，僅為幾個(gè)微米。因此有必要對(duì)鍍鎳層進(jìn)行增厚。另外，鎳在空氣中容易氧化而失去光澤，通常在鎳層上鍍上一層金以防止氧化。張文禹等人研究了光纖表面的電鍍鎳增厚技術(shù)，對(duì)電鍍基本成分及工藝條件對(duì)鍍層的影響，光亮劑對(duì)鍍層光亮的影響、電流密度對(duì)鍍層質(zhì)量的影響、溫度對(duì)鍍層質(zhì)量的影響進(jìn)行了細(xì)致的實(shí)驗(yàn)分析。
4、鍍層性能檢測(cè)
結(jié)合力：熱震實(shí)驗(yàn)方法，將鍍鎳光纖放在120℃ 的烘箱中熱處理，鍍層無(wú)開(kāi)裂、無(wú)起皮或剝落現(xiàn)象。
電學(xué)性能：用萬(wàn)用電表檢測(cè)，其導(dǎo)電性能良好。
