光纤光栅传感器的封装技术

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1、光纤光栅传感器的封装技术17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

2、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。17目录1、绪论21.1光纤光栅传感器封装技术概述22、光纤光栅传感原理32.1光纤光栅传感器的结构和原理32.2光纤光栅传感技术的类型简介43.光纤光栅传感器封装技术分类53.1保护性封装53.2敏化封装63.3补偿性封装64.封装技术实例74.1光纤光栅温度传感器抗应变串扰封装74.2Polyimide（聚酰亚胺）光纤光栅温度传感器的封装104.3镀铜光纤光栅的全金属封装11参考文献14171、

3、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

4、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

5、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

6、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。172、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

7、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=2neffΛ式中，λB为光纤布拉格光栅的中心反射波长或谐振波长，neff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

8、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。17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