光纤高温应变传感器研究进展（特邀）

杨杭洲，刘鑫，南朋玉，辛国国

（西北大学物理学院，西安 710069）

0 引言

高温应变传感器在航空航天、石油勘探、工业冶炼等领域有巨大的潜在需求。目前，传统使用的热电偶和电阻应变片可以分别用来测量温度和应变，但其存在很多不足。热电偶的测量温度虽然可以达到1 000 ℃以上，但其价格昂贵、响应速度慢、测量精度低、对污染十分敏感且在高温工况下工作易老化；电阻应变片的价格也十分昂贵，使用寿命短、粘贴过程复杂、测量精度低。故基于电学类的高温应变传感器较难适用于高温恶劣环境中。光纤传感器在尺寸、成本、寿命、分辨率、抗电磁干扰能力、抗恶劣工况能力等方面具有诸多优势，已广泛用于结构健康的监测中［1-2］。因此，光纤高温应变传感器在高温环境中的应用十分广泛［3-5］。此外，采用目前制备技术成熟的超高温陶瓷、碳/碳化硅等材料封装保护传感器可以用于高温环境中的热结构健康监测。
探索并研制能够用于高温环境中的光纤传感器具有重要意义。但是，采用光纤高温应变传感器对高温环境中的热结构进行温度和应变的实时监测，在解调过程中传感器同时响应温度和应变，会出现交叉敏感问题；在应变测量过程中，温度同时影响测量结果，从而造成较大的应变测量误差，怎样解决这个问题尤为重要。目前采用的解调方法主要是双波长解调和温度补偿解调两种。双波长解调方法采用双参量矩阵解调温度和应变，在高温环境中会造成较大的测量误差［6-7］；温度补偿解调方法采用胶粘剂封装保护其中一个传感器结构，使其只响应温度，并且对另一个传感器结构进行温度补偿，但是由于胶粘剂不耐高温，该方法只适用于低温环境中的实验测试［8］。目前，有效解决光纤传感器的温度应变交叉敏感问题的研究方案和技术路线并不清晰明确，特别是对超高温情况下应变的监测更是如此。
本文首先综述了基于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）型、光纤干涉型的高温应变传感器的研究进展，然后总结了不同传感机理对温度、应变的响应特性并对其归纳比较，最后对光纤高温应变传感器的未来发展方向进行了展望。

1 FBG 型高温应变传感器

1.1 FBG 温度传感原理

光栅区域的有效折射率neff和光栅的周期Λ决定了光栅的布拉格波长λB。当环境的物理参量影响这两个参数时，光栅的布拉格波长会发生漂移。其漂移规律可由布拉格公式可以推导出来，即

在环境的温度变化情况下，FBG 的布拉格波长会发生漂移。所以，利用FBG 对于温度的响应特性，可以实时监测布拉格波长并建立与温度的函数关系式，进而得到温度的变化量。FBG 的温度灵敏度KT表示为

式中，λ表示波长，T表示温度，α和ζ分别表示光纤材料的热膨胀系数和热光系数。

1.2 FBG 应变传感原理

在环境的应变变化情况下，FBG 的布拉格波长也会发生漂移，其主要原因是光栅区域的折射率和光栅的周期发生变化。所以，利用FBG 对应变的响应特性，可以实时监测布拉格波长并建立与应变的线性关系式，进而得到应变的变化量。

在FBG 受到轴向应变的情况下，其布拉格波长会发生漂移。布拉格方程可以表示为

式中，Δ 表示相应参数的变化量，λB表示布拉格波长，neff表示有效折射率，Λ表示光栅的周期。

光纤在三个维度受到的应变可以表示为

式中，ε表示应变，E表示弹性模量，υ表示泊松比，P11和P12表示弹光系数。

FBG 的应变灵敏度Kε可以表示为

FBG 的布拉格波长和轴向应变之间的表征关系可以表示为

1.3 FBG 高温应变传感器

自1978年HILL K O 等［9］首次证明在光纤中通过光敏性形成永久光栅以来，研究者深入地研究了FBG的制备方法和测试性能。采用激光对纤芯的折射率进行调制，可以得到FBG。折射率调制是由光纤材料本身的光敏性引起的［10］。

目前，基于FBG 高温应变传感器的研究报道很多。2009年，重庆大学ZHU Y 等［11］制作了一种基于红外飞秒激光刻写双FBG 的高温应变传感器，两个FBG 的中心波长分别为1 310 nm 和1 550 nm，将传感器放入刚玉管内部，再将传感器和刚玉管放入高温炉中进行温度和应变测试。实验结果表明，因为两个FBG 的中心波长具有不同的有效折射率，所以传感器可以实现800 ℃的温度和应变的同时测量。

同年，大连理工大学的LI G Y 等［12］研究和讨论了化学成分光栅（Chemical Composition Grating，CCG）在24～900 ℃温度范围内的温度和应变响应。实验结果表明，在整个温度范围内，温度响应为非线性曲线，在恒定温度下，CCG 的波长漂移与施加的拉伸应变呈线性关系，此外，CCG 的应变响应与温度无关。

2010年，密苏里科技大学HUANG Y 等［13］利用CO2激光刻写的长周期光纤光栅（Long-period Fiber Grating，LPFG）传感器在高温环境下进行大应变测量，使用单个LPFG 传感器的两种包层模式（LP06 和LP07）同时测量温度和应变，实现了700 ℃下的应变测量，应变分辨率为0.5 με。

2014年，西北大学乔学光团队［14］设计制作了一种应变灵敏度提高的光纤高温应变传感器。首先，采用化学腐蚀法对单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）进行处理，获得直径分别为90 μm 和60 μm 的FBG；然后，采用热处理方法对FBG 进行热处理，得到热再生光栅（Regenerated Fiber Bragg Grating，RFBG）。实验结果表明，该传感器实现了800 ℃下的应变测量，且应变灵敏度从0.9 pm/με 提高至4.5 pm/με。

2015年，本文课题组［15］制作了一种级联RFBG 传感器，使用KrF 准分子激光器在SMF 刻写中心波长分别为1 304 nm 和1 547 nm 的两个FBG，然后，采用热处理方法对FBG 进行热再生，得到RFBG。实验结果表明，该传感器实现了900 ℃下1 000 με 范围内的温度和应变的同时测量。此外，采用三阶参量矩阵来展示传感器的响应特性，测量的温度误差和应变误差分别是28.3 ℃和4.1 με。

2016年，德国莱布尼茨光子技术研究所的HABISREUTHER T 等［16］提出了基于刻写一阶FBG 的蓝宝石光纤传感器用于测量高温和应变，传感器在高达600 ℃的温度下进行了应变测试，实验结果表明，蓝宝石FBG 传感器能够以大约10 με 的分辨率确定应变，并且使用传感器进行高温应变传感时，最大施加应变为1 500 με，没有任何传感器的故障迹象。

2017年，本文课题组［17］制作了一种基于双RFBG 的光纤高温应变传感器，其结构示意图如图1。在高掺锗的SMF 和硼锗共掺的SMF 分别刻写了一个FBG，为了得到两个具有不同应变灵敏度的FBG，用化学腐蚀法处理高掺锗的FBG，通过缩小光纤的直径，提高FBG 的应变灵敏度；然后，用热处理方法对FBG 进行热再生，得到RFBG。进一步的实验表明，该传感器实现温度、应变双参量的同时测量（温度＜800 ℃；应变＜1 000 με），其温度和应变的测量误差分别是4.6 ℃和19.9 με。

同年，西北大学YANG T T 等［18］采用800 nm 飞秒激光刻写技术，在多模光纤（Multimode Fiber，MMF）中成功地刻写FBG，其结构示意图如图2 所示，MMF 的基模和高阶模在纤芯失配处激发，在传输过程中产生两个明显的共振峰，实验测试了单个共振峰在超高温条件下的应变响应。实验结果表明，在温度600～900 ℃范围内，应变灵敏度与温度呈线性关系，且应变灵敏度提高到5.24 pm/με，该传感器可用于高温环境下的应变测量。

2018年，北京信息科技大学ZHANG Y M 等［19］制作了一种基于FBG 的高温应变传感器，使用红外飞秒激光器分别在纯石英SMF 和掺锗SMF 的纤芯刻写FBG，然后进行高温应变实验。实验结果表明，该传感器可以实现800 ℃下1 000 με 范围内的测量。在相同的高温应变情况下，纯石英FBG 的响应灵敏度低于掺锗FBG。为了确保传感器拥有良好的稳定性，建议在500 ℃以下进行应变测量。

同年，吉林大学GUO Q 等［20］采用飞秒激光逐行扫描法制作了一种蓝宝石FBG 高温应变传感器，在直径为60 μm 的单晶蓝宝石光纤中获得了三阶FBG。实验研究了传感器在室温到1 600 ℃温度范围内的温度传感特性，在1 000～1 600 ℃温度范围内，其温度灵敏度为34.96 pm/℃。此外，分别在26 ℃、500 ℃、1 000 ℃和1 600 ℃测试了传感器的应变传感特性，其应变灵敏度分别是1.42 pm/με、1.42 pm/με、1.44 pm/με 和1.45 pm/με。实验结果表明，该传感器在对处在高温环境中的健康监测领域具有较好的应用价值。

2019年，西北大学SU D 等［21］提出了一种利用SMF 和细芯光纤（Thin Core Fiber，TCF）刻写的紧凑型双FBG 用于同时测量高温和应变，这两种FBG 具有不同的热光系数和弹光系数，对温度和轴向应变响应呈现有区别化的灵敏度，实验结果表明，该传感器实现了800 ℃下1 000 με 范围内的同时测量，应变灵敏度高达3.25 pm/μɛ。

2020年，葡萄牙应用光子学研究院的VIVEIROS D 等［22］提出了一种采用飞秒激光刻写离轴FBG 用于测量温度和应变，光栅与纤芯中心横向偏移超过2.5 μm，可以在单模光纤中制造一个多模干涉部分，该部分可以支持两种独立的光纤模式（LP0，1 和LP1，1）。实验结果表明，在23～300 ℃的温度范围内，传感器的温度灵敏度为12 pm/℃，在0～522 με 的应变范围内，传感器的应变灵敏度为1.44 pm/μɛ。

2022年，本文课题组［23］提出了一种用于温度和应变区分测量的光纤传感器。该传感器由两个级联的RFBG 和两个毛细玻璃管组成，其结构示意图如图3 所示。RFBG2 被封装在一个毛细玻璃管中，仅对温度响应，而RFBG1 对温度和应变都响应。实验结果表明，传感器的温度响应在100～1 000 ℃的温度范围内呈线性变化，其温度灵敏度为15.7 pm/℃，此外，传感器在300～900 ℃温度范围内的应变测量具有良好的可重复性。在600 ℃温度下以及0～120 με 的应变范围内，两个毛细石英管的整合封装使RFBG1 的应变灵敏度提高至5.46 pm/με，该应变灵敏度比常见的RFBG 应变传感器高5 倍左右。

表1 列出了文献报道的各种基于FBG 的光纤高温应变传感器的测量参数比较，包括测量温度和应变范围、温度和应变灵敏度。

表1 FBG 型高温应变传感器的测量参数比较［11，13-15，17，20-23］Table 1 Comparison of measurement parameters of FBG type high temperature and strain sensor［11，13-15，17，20-23］

对于光纤高温应变传感器存在的温度和应变交叉敏感问题，研究报道的解决方法比较多，但是，由于光纤自身会受温度影响的特性，这些方法都不能精确测量温度应变。现有的光纤温度应变传感器主要通过两个FBG 并联或级联用于测量温度和应变，使其中一个FBG 只响应温度，另一个FBG 响应温度和应变，用温度补偿解调方法，实现同时测量温度和应变，解决温度应变交叉敏感问题。但是，这种解调方法受限制于传感器的封装技术和FBG 不耐高温的特点，一直停留在300 ℃以下的实验测试阶段。此外，文献［24-25］也报道了用双参量矩阵同时测量温度和应变，用光谱上的两个监测点同时测量温度和应变，这两个监测点具有不同的温度灵敏度和应变灵敏度，这种解调方法是采用传感器的温度响应以及在确定温度点的应变响应，实现同时测量温度和应变。但是，当测量的环境温度变化时，传感器的应变灵敏度也会发生变化，造成温度和应变存在较大耦合，存在较大的测量误差，尤其在高温下的测量误差非常大［26］。

2 光纤干涉型高温应变传感器

2.1 光纤法布里-珀罗干涉仪高温应变传感器

光纤法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Perot Interferometer，FPI）传感器对应变十分敏感，目前这种传感器在高温环境中的应变测量得到了广泛关注。当外界环境中的温度和应变发生变化时，F-P 腔的腔长以及腔内的介质折射率会发生改变，导致干涉光谱波长产生漂移，对监测干涉波长的变化量进行数据分析处理，可得到温度和应变的变化量。目前，文献报道用于测量高温应变的FPI 类型有气泡型FPI、FPI 级联FBG 型、FPI级联RFBG 型等。基于光纤FPI 的应变传感器研究报道很多，其制作方法也较多，如激光加工法［27-29］、电弧放电法［30-33］、化学腐蚀法［34-35］等。

2009年，电子科技大学RAO Y J 等［36］制作了一种基于空芯光子晶体光纤（Hollow Photonic Crystal Fiber，HPCF）的FPI 传感器，采用熔接机将HPCF 熔接在两段SMF 之间，获得了微型FPI 传感器。实验结果证明，传感器在室温到700 ℃内具有良好的稳定性，实现了20～600 ℃温度范围内的应变测量，应变灵敏度为5.94 nm/με。

2014年，武汉理工大学XIONG L 等［37］提出了一种非本征型FPI-FBG 复合传感器，该复合传感器的FP 腔由一段毛细玻璃管、一段SMF 以及一段刻写FBG 的镀金SMF 组成，用热处理的FBG 进行温度测量，用光纤FPI 进行应变测量。实验结果表明，该传感器能够同时测量温度和大应变，温度和应变测量范围分别可达500 ℃和10 000 με，所测温度灵敏度为13.6 pm/℃，应变灵敏度为46 nm/με，此外，传感器实现了有效的温度补偿。

2015年，波尔图大学FERREIRA M S 等［38］提出了一种基于新型石英管的FPI 传感器用于高温下的应变测量，该石英管有厚度约为14 μm 的包层和四个直径约20 μm 的小棒，每个小棒放置在完全相反的位置，确保石英管的机械稳定性，通过在两段单模光纤之间熔接一段石英管形成FPI，并且研究了热退火对传感器稳定性的影响，以便改善传感器的传感性能。实验结果表明，长度为17 μm 的石英管制作的传感器具有低于1 pm/℃的温度灵敏度，其应变灵敏度为13.9 pm/με。

2016年，本文课题组［39］制作了一种基于FPI 级联RFBG 的高温应变传感器，其结构示意图如图4 所示。通过商业熔接机将一段空芯光纤（Hollow Core Fiber，HCF）熔接在两段SMF 之间制作FPI；然后，将FPI 与种子光栅级联，对传感器进行热处理得到RFBG。实验结果表明，该传感器由一个条件数为12.09 的矩阵组成，可以实现温度应变双参量的同时测量（温度＜600 ℃；应变＜600 με），其温度和应变测量误差分别为4.6 ℃和19.9 με。

2018年，电子科技大学YANG T T 等［40］设计制作了一种高集成度的光纤高温应变传感器，该传感器由800 nm 的飞秒激光器刻写的FBG 和157 nm 激光器微加工技术制作的光纤FPI 级联而成，实现了高温环境中的应变精确测量。FBG 对温度响应，但对应变不响应；而光纤FPI 对应变响应，但对温度响应很小。实验结果表明，传感器具有良好的响应特性，实现了500 ℃下650 με 范围内的同时测量。

同年，都柏林理工学院的LIU D J 等［41］提出了一种基于HCF 的高温应变传感器，传感器由一小段HCF在两个标准单模之间熔接而成，该传感器具有高灵敏度的优点，其温度灵敏度为33.4 pm/℃，工作温度范围为室温到1 000 ℃，并且具有良好的稳定性和重复性，具有相对较低的应变灵敏度（0.46 pm/με），表明传感器在高温传感领域具有巨大的潜力。

2019年，上海大学PANG F F 等［42］提出了一种基于氧化铝陶瓷衍生光纤（Alumina Ceramic Derived Fiber，CDF）的FPI 传感器用于高温应变传感，该传感器由两段SMF 之间拼接一段CDF 组成，传感器的显微图如图5 所示，在室温到1 200 ℃的温度范围内，对传感器的应变响应特性进行实验标定，实验结果表明，传感器的波长漂移变化量与拉伸应变变化量呈线性关系，在900 ℃的温度下，数据分析所得应变灵敏度为1.5 pm/με，温度灵敏度为15.6 pm/℃，并且线性响应可在0～3 000 με 范围内重复测试。此外，该传感器在1 000 ℃的温度下具有良好的重复性，其应变测量范围为0～2 000 με。

2020年，武汉理工大学NAN J 等［43］设计了一种腔长自由伸缩的新型复合传感器。传感器由非本征型FPI 和镀金的RFBG 组成，其结构示意图如图6 所示，并且在陶瓷悬臂梁上测试了传感器的响应特性。实验结果表明，传感器实现了室温到800 ℃范围内的应变测量，其温度灵敏度为10.98+0.008 31Tpm/℃，T表示温度，温度分辨率为0.1 ℃，应变分辨率为0.5 με。传感器在实验测试中可以消除热应变干扰，具有良好的稳定性。

同年，本文课题组［44］提出了一种基于光纤FPI 级联RFBG 的传感器用于同时测量高温环境下的温度和应变，其结构示意图如图7 所示，光纤FPI 由长度为74 μm 的空芯石英管（Hollow Core Silica Tube，HCST）熔接在两段SMF 之间，其对温度和应变都响应，而RFBG 嵌入在毛细刚玉管内，使其对施加的应变不响应，用于FPI 结构的温度补偿，实验结果表明，该传感器在100～1 000 ℃的温度范围内，温度灵敏度为18.01 pm/℃，在300～1 000 ℃的温度范围内，应变响应规律呈线性关系，应变测量范围为0～450 με，在温度为800 ℃时，其应变灵敏度为2.17 pm/με。

2021年，武汉理工大学LI T L 等［45］制作了一种能够在高温下进行超大应变测量的光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）FPI 传感器，其结构示意图如图8 所示。采用激光焊接固定和自由悬挂方式分别将两段PCF 插入毛细石英管的两侧，形成一个非本征型FPI 传感器。这种传感器结构使单侧滑动的F-P腔具有较大的应变测量范围，推导了传感原理并进行了实验验证。实验结果表明，该传感器在室温到1 100 ℃的温度范围内，显示了良好的热稳定性，在温度1 000 ℃下，可准确检测到较大的机械诱导应变值为9 436.66 με。

2022年，本文课题组［46］提出了一种基于游标效应和II 型FBG 的超灵敏双FPIs 传感器用于同时测量温度和应变，其结构示意图如图9 所示。两个FPI 由一段HCST、两段SMF 和一段MMF 组成，在26～1 000 ℃的温度范围内，其产生的叠加干涉光谱的温度灵敏度为6.98 pm/℃，应变测量范围为0～350 με，在温度为800 ℃时，其应变灵敏度为127.32 pm/με，此外，采用飞秒激光在SMF 刻写FBG，FBG 封装在毛细玻璃管中，只响应温度，对施加的应变不响应，其温度灵敏度为15.14 pm/℃。

表2 列出了文献报道的各种基于FPI 的光纤高温应变传感器的测量参数比较，包括测量温度和应变范围、温度和应变灵敏度。

表2 光纤FPI 型高温应变传感器的测量参数比较［33，37，39-40，42，44-46］Table 2 Comparison of measurement parameters of optical fiber FPI type high temperature and strain sensor［33，37，39-40，42，44-46］

2.2 微泡型光纤高温应变传感器

微泡型光纤高温应变传感器也属于光纤FPI 高温应变传感器类型，其本质是在光纤端面或者内部制作微泡型FPI。目前，这种传感器用于测量高温和应变的研究鲜有报道，因为这种微泡型FPI 不耐高温，而且容易断裂。

2011年，重庆大学DENG M 等［47］提出了一种简单、坚固的气泡腔光纤FPI 传感器，该传感器是通过商业熔接机将一段多模光子晶体光纤（Multimode Photonic Crystal Fiber，MPCF）和一段SMF 熔接制作而成，气泡腔的两个光滑的玻璃-空气界面作为FPI 的两个反射镜，传感器的显微图如图10 所示，实验结果表明，传感器实现了750 ℃下1 850 με 范围内的测量，其温度灵敏度为0.6 pm/℃，应变灵敏度为2.3 pm/με。

2014年，哈尔滨工程大学ZHOU A 等［48］提出了一种复合腔结构的光纤FPI 传感器，该FPI 嵌入在光纤中间，用于同时测量温度和轴向应变，FPI 由一个球型空气腔级联一个石英腔组成，二者都是在空芯环型光纤（Hollow Annular Core Fiber，HACF）的内部制作而成，其结构示意图如图11 所示，实验结果表明，在室温-500 ℃，空气腔和石英腔的温度灵敏度分别为1.3 pm/℃和13 pm/℃，其应变灵敏度分别为5.2 pm/με 和1.1 pm/με，其对温度和应变呈现不同的灵敏度，可实现温度和应变的同时测量。

2018年，中国科学技术大学ZHOU K 等［49］提出了一种高应变灵敏度的光纤气泡FPI 传感器，微气泡结构可以控制，特别是空气腔长度和侧壁厚度，该传感器的应变灵敏度高达56.69 pm/με，是目前报道的多数FPI应变传感器的几倍，在室温到600 ℃的温度范围内，该传感器具有较低的温度灵敏度，低至0.682 pm/℃，拉伸应变与温度之间的交叉灵敏度降低到0.012 με/℃。

2019年，北京航空航天大学ZHANG P H 等［50］提出了一种基于蓝宝石衍生光纤（Sapphire Derived Fiber，SDF）的FPI 传感器，用于高温环境中的应变测量，其结构示意图如图12 所示，实验结果表明，在20～950 ℃的温度范围内，该传感器在0～1 000 με 范围的应变灵敏度在1.29 pm/με 上下波动，且波动范围随温度的升高而增大，但整体相对波动较小。

2.3 光纤马赫-曾德尔干涉仪高温应变传感器

至今为止，基于马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer，MZI）的光纤高温应变传感器的研究报道比较少，基于光纤MZI 传感器的结构种类较多，但多数只用于测量温度或只用于测量应变［51-53］，少数的光纤MZI 传感器用于同时测量温度和应变。

2018年，苏州大学ZHANG N 等［54］提出了一种基于微型模态干涉仪的新型光纤传感结构用于测量温度和应变。传感器主要基于MZI 传感机制，由一根单模光纤的两个向上锥形之间引入向下锥形组成，实验结果表明，传感器的温度灵敏度为87.8 pm/℃，应变灵敏度为0.7 pm/με，该传感器仅由单模光纤制作而成，价格便宜并且具有实用性，整个制作过程只需用商业光纤熔接机控制切割和拼接即可。

2019年，南昌航空大学LIAO Y C 等［55］提出了一种基于拉锥形光纤MZI 传感器，光纤MZI 结构由两个锥形的单模光纤组成，传感器通过热处理，可以得到稳定的温度测量结果，实验结果表明，在80～950 ℃的温度范围内，传感器在加热和冷却过程中的温度灵敏度分别为0.114 nm/℃和0.116 nm/℃，具有良好的温度响应，且温度稳定性好，测量得到的应变灵敏度为1.33 pm/με。

同年，北京交通大学ZHANG C B 等［56］提出了一个基于熔接双芯光纤（Twin-Core Fiber，TCF）的微型光纤应变传感器，传感器结构有两种光纤锥体，分别为弱锥体和T 形锥体。实验结果表明，在0～841.5 με 的应变范围内，传感器的两个波谷应变灵敏度分别为3.31 pm/με 和6.11 pm/με，温度灵敏度为0.69 pm/℃，该传感器具有良好的测试稳定性和较低的温度灵敏度，有利于精确测量应变。

2020年，南昌航空大学LIU J 等［57］提出了一种基于少模光纤的MZI 传感器，并进行了实验验证，该传感器由两段SMF 之间熔接一段少模光纤制作而成，经过2 h 的热处理，传感器在室温到1 000 ℃的温度测量中表现出较高的稳定性和重复性，温度灵敏度约为48.2 pm/℃，应变灵敏度为1.5 pm/με，此外，传感器的温度应变交叉灵敏度仅为0.031 1 ℃/με，是一种应变不敏感的光纤高温传感器。

3 光纤高温应变传感器封装及其应用

3.1 光纤高温应变传感器封装

目前，固定光纤传感器最常用的封装材料是环氧胶粘剂，即通过胶粘剂将光纤传感器固定到待测结构表面。但是，这种封装方法受限于胶粘剂的工作温度，不能应用于高温环境中的光纤高温应变传感器封装，研究报道的光纤高温应变传感器封装方法较少。

2014年，华东理工大学TU Y 等［58］提出了一种用于高温部件结构完整性监测的金属封装RFBG 应变传感器，在恒定条件下，通过轴向拉伸传感器进行应变响应测试，测试室温到400 ℃。实验结果表明，该传感器线性度、稳定性和可重复性均较好，此外，实验结果与预测应变数值的比较表现出令人满意的一致性。

2016年，大连理工大学ZHOU Z 等［59］提出了一种碳纤维增强聚合物封装FBG 应变传感器，并对其在正常环境和恶劣环境下的传感性能进行了实验研究。实验结果表明，传感器在恶劣环境下保持了与裸露的FBG 传感器一样的优良传感性能，并且由于碳纤维增强聚合物材料的使用，其耐久性显著提高，应变测量范围增加到8 000～12 000 με，该传感器在140 ℃的环境温度下不会退化。

2019年，北京遥测技术研究所LI J Y 等［60］提出了一种高温合金封装的耐高温镀金光纤EFPI 应变传感器，其封装基底图如图13 所示。该传感器可以耐850 ℃高温，通过仿真计算，对于模型的应变传递规律进行探究，提出灵敏度优化方案，在理论和模拟的指导下完成相应实验标定，测试证明该传感器具有良好的重复性，通过搭载运载火箭发动机试车得到试车过程涡轮泵表面的应变数据，证明该传感器具备工程实用价值。

3.2 光纤高温应变传感器应用

较高比例的光纤高温应变传感器仍处于实验室研制阶段，在批量生产和实际应用中存在较多工程化问题。目前在实验室研究基础上，科研工作者开发了一些能够在实际生产中应用的光纤高温应变传感器。21世纪初，美国国家航空航天局在研究机翼形状测量方法时，在一根复合材料制成的空心管上布置了多条弱反射FBG 传感器，可实现弯曲扭转组合状态下挠度的计算测量，进行多次往返航天飞行器项目中的测试。实验结果证明，基于FBG 原理的传感器是进行集成化健康监测的最佳选择。此外，国外许多研究机构也将光纤传感网络应用到机翼的蒙皮结构上，用于实现热结构的温度和应变的实时在线监测。

在高温环境中的热结构健康监测领域，国内的一些高校开展了近20年的研究工作。哈尔滨工业大学MENG S H 等［61］通过对大量的胶粘剂及粘接工艺的研究，提供了一种在700 ℃高温环境中粘接超高温陶瓷结构与石英光纤的方法，实现了高温环境中热结构的温度和应变的同时监测，为热结构的健康监测提供了一种新方法。哈尔滨工业大学XIE W H 等［62］经过长期试验，提出了使用CCG 对高温合金和碳/碳结构进行高温应变测试的实验方法和信号处理技术，实验结果表明，粘贴在高温合金和碳/碳结构表面的CCG 的波长随着温度的升高呈非线性增长，并且CCG 的应变灵敏度与温度相关，在600 ℃以下的温度环境中变化稳定，在600 ℃以上的温度环境中，随着温度的增加，其应变传递系数趋于轻微下降。

国外不但对光纤高温应变传感器的原理性和基础性进行了研究，而且对实际使用时高温应变传感器的集成方式和功能验证也进行了研究，并在此基础上进行了初步的实验测试。相比之下，国内报道的光纤高温应变传感器应用于高温环境中热结构监测的研究在实际应用方面探索较少，急需加大研究力度。

4 结论

光纤高温应变传感器具有尺寸小、成本低、分辨率高、抗电磁干扰能力强等优点，在高温恶劣环境中的结构健康监测中得到了广泛应用。目前，国内外的研究单位和高校对光纤高温应变传感器进行了大量研究，在耐温性提升和应变增敏方面取得了一系列成果。文中综述了基于FBG 型、光纤干涉型高温应变传感器的传感机理、实验方法以及封装应用情况，总结了不同传感机理对温度、应变的响应特性。目前，光纤高温应变传感器存在温度应变交叉敏感问题，温度会影响应变的测量结果，并且传感器的封装保护及其应用还一直在探索阶段，在极端环境条件下，传感器不能精确地测量温度和应变。未来，对于光纤高温应变传感器的重点研究工作有以下几点：一是需要设计新颖的传感器结构和研究新的温度和应变解调方法，解决光纤高温应变传感器的温度应变交叉敏感问题，提高传感器的测量精度；二是设计新的封装结构结合耐高温材料，封装保护传感器，使传感器能够应用于极端环境下的实际场合，并且能够精确测量待测物的温度和应变。随着各种尖端科技的发展，对于高温环境中的温度应变传感的需要也会越来越迫切，而光纤高温应变传感器仍会成为高温领域的研究热点。