光纤光栅传感器的封装技术

光纤光栅传感器的封装技术

摘要

光纤布拉格光栅传感器是一种新型的光纤传感器，它利用的是布拉格波长对温度、应变敏感的原理。与传统的电学传感器相比，它还具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、复用性强等优点。正因为这些独特的优点，光纤布拉格光栅越来越多的被应用到大型结构、电力、安防、石化、医学、矿井、军事等领域，其中，最引人瞩目的是光纤光栅温度传感器在长距离测温系统中的应用。随着中国物联网发展战略的实施，光纤传感领域的研究和产业化面临着巨大的机遇和挑战。

本文综述了光纤光栅温度传感器的传感原理，光纤光栅传感器封装技术分类，分为保护性封装，敏化封装，以及补偿性封装，列举了三个封装技术的实例，对他们的封装结构，封装中的技术工艺，以及封装后的一些参数进行了介绍。

目录

1、绪论 (4)

1.1 光纤光栅传感器封装技术概述 (4)

2、光纤光栅传感原理 (5)

2.1光纤光栅传感器的结构和原理 (5)

2.2光纤光栅传感技术的类型简介 (6)

3.光纤光栅传感器封装技术分类 (7)

3.1保护性封装 (7)

3.2 敏化封装 (8)

3.3补偿性封装 (8)

4.封装技术实例 (9)

4.1光纤光栅温度传感器抗应变串扰封装 (9)

4.2Polyimide（聚酰亚胺）光纤光栅温度传感器的封装 (12)

4.3镀铜光纤光栅的全金属封装 (13)

参考文献 (16)

1、绪论

1.1 光纤光栅传感器封装技术概述

光纤光栅是普通光纤经过特殊的光学工艺处理后，使纤芯折射率沿轴向，呈现周期性规律分布的物理结构，其实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)光滤波器或反射镜。通过人为改变光纤光栅结构的分布，我们可以主动控制光在光纤中的传播行为，光纤光栅结构的多样化可以使其光谱响应特显得非常丰富。同时，光纤光栅具有结构简单、器件微型化、带宽范围广、耦合性好、附加损耗小、可与其他光纤器件融成一体等特点，除此之外光纤本身具有轻质、电绝缘、柔韧、抗电磁干扰、径细、化学稳定等优点，使得光纤光栅在光纤传感、全光通信、光信息处理等领域具有巨大的应用前景。

光纤光栅传感器是以布拉格条件为基础，以光纤光栅为载体，发展起来的一种本征波长调制型传感器。光纤光栅传感器是利用透射或反射谱波长峰值的变化，进而实现对物理量的测量。透射(反射)谱波长与光栅纤芯的有效折射率及折射率调制周期密切相关。当外界应变与温度发生变化时，光纤光栅的纤芯折射率与折射率调制周期就随之变化，然后影响光纤光栅的透射(反射)谱峰值波长的移动，通过测量Bragg峰值波长的移动量，实现对外界物理量变化的测量，上述即是光纤光栅传感器的基本工作原理。光纤光栅传感器可以实现对应变、温度、压力、电流、振动等基本物理量测量。

利用光纤光栅进行传感，需要适当的封装技术，增加其敏感度，以利于检测解调。在某些情况下，我们不希望温度仁或应变、压力)对布拉格波长产生影响，就要对光栅进行减敏封装，降低它对温度仁或应变、压力)的灵敏度。这两种技术统称敏化技术。目前，一些敏化技术已经在实际中得到应用，但还有相当一部分停留在实验室阶段。

利用光纤光栅进行传感面临的又一难题是温度、应变交叉敏感问题。温度和应变都能引起布拉格波长的漂移，从单一的波长漂移量，我们无法区分其中哪些是温度变化引起的，哪些是应变引起的。这给我们出了很大的难题。要实现光纤光栅传感器的实用化，就必须采用各种封装技术，或者剔除温度的影响，或者实现温度、应变双参数及多参数的同时测量。

光纤光栅传感技术适合应用在很多恶劣的环境中，但由于光纤纤细柔软，容易被损坏，因此需要采用一些封装方法，保护光栅。在实用中对光纤光栅进行恰当的封装非常必要，封装工艺的好坏直接影响到光纤光栅传感器能否从实验室走向实用，对光纤光栅封装技术进行研究，设计更好的封装结构和工艺尤为重要。

2、光纤光栅传感原理

2.1光纤光栅传感器的结构和原理

光纤光栅是发展最为迅速的一种新型光纤无源器件，是利用光纤材料的光敏性使纤芯内形成空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成窄带的滤波器或反射镜。以下简单介绍应用最为普遍的光纤布拉格光栅(FBG)的相关原理，图2.1为其波导结构及传输光谱示意图。

由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长可表示为：λB=

2n effΛ

式中，λB为光纤布拉格光栅的中心反射波长或谐振波长，n eff为光纤纤芯对自由空间中心波长的有效折射率，Λ为光纤布拉格光栅的光栅周期，上述公式称为光纤布拉格光栅的相位匹配条件。FBG的传感原理可以简单地概括为:入射光经过纤芯的布拉格光栅结构时会发生散射，当入射光的波长不满足布拉格匹配条件时，各个光栅面的散射光的相位会错乱以致相互抵消。当入射光的波长满足布拉格匹配条件时，各光栅面的散射光相位保持一致，反射回来的光会得到逐步累积加强，形成反向传导的反射峰。

根据公式可知，光纤布拉格光栅的中心反射波长由纤芯的有效折射率和光栅

周期共同决定。有多种物理量可以改变纤芯的有效折射率和光栅周期(如加速度、超声波、力等)，但它们都可以通过某种特殊的方式转化为应变和温度对FBG的影响。一方面，当FBG的轴向应变发生改变时，会引起光栅周期的改变，并由于弹光效应，导致FBG的有效折射率也发生改变;另一方面，当FBG的温度发生变化时，由于热胀冷缩而引起光栅周期改变，并且根据光纤的热光效应，使得FBG 的有效折射率也会发生改变。

因此，由温度和应变的变化而引起FBG的中心波长漂移的关系表达式为:

∆λB=2(Λðn eff

ðT

+n eff

ðΛ

ðT

)∆T+2(Λ

ðn eff

ðl

+n eff

ðΛ

ð

)∆l

∆T为温度变化量，∆l为FBG的长度变化量，∆Λ是光栅周期的变化量。公式

右边两项分别代表温度和应变对FBG中心波长的影响。第一项描述由温度的变化而引起FBG中心波长的漂移，第二项描述由应变的变化而引起FBG中心波长的漂移。

2.2光纤光栅传感技术的类型简介

（1）强度调制型光纤传感技术

强度调制，是一种解调相对简单、应用相对广泛的光纤传感技术。其基本原理是外界环境(压力、振动、位移和气体等被测量)以某种特殊的方式改变光纤中传输的光强(即调制)，再通过测量输出光强的变化(解调)来获得被测量的信息。光强调制技术具有结构简单、可兼容、低成本等优点，但是检测的光信号容易受光源波动(光纤微弯和连接器损耗等)的影响。光强调制型光纤传感器主要有光纤微弯传感器、光纤受抑全内反射传感器、光纤辐射传感器等。

（2）频率调制型光纤传感技术

频率调制，是指外界环境(被测量)以某种特定的方式改变光纤中传输光的频率，再通过检测光波频率的偏移量来获得被测量的信息。一般需要利用光纤的非线性特性实现检测。

（3）相位调制型光纤传感技术

相位调制，是指外界环境(被测量)以某种特定的方式改变光纤中传输光

的相位，再利用干涉仪等来测量相位的变化从而获得被测量的信息。由于在传感过程中，需要采用特殊的光纤及高精度的检测系统，因此，光相位调制技术的检测成本高。该类型的传感器具有高灵敏度、测量对象广泛、灵活多样等优点。相位调制型光纤传感器主要有:Mach-Zehnder光纤干涉仪、Michelson光纤干涉仪、Sagnac光纤干涉仪和光纤Fabry-Perot干涉仪等。

（4）偏振调制型光纤传感技术

偏振调制，是指外界环境(被测量)以某种特定的方式使光纤中传输光波的偏振面发生偏转，再通过测量光波偏振态的变化来获得被测量的信息。光偏振调制技术的优点是不仅避免了光源强度变化的影响而且检测精度高。

（5）波长调制型光纤传感技术

波长调制，是指外界环境(被测量)以某种特定的方式改变光纤中传输光

的波长，再通过测量波长的漂移量来获得被测量的信息。波长调制型光纤传感器具有抗干扰能力强和波长编码等优点。