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1、光纖光柵傳感器的封裝技術(shù)17摘要光纖布拉格光柵傳感器是一種新型的光纖傳感器，它利用的是布拉格波長對溫度、應(yīng)變敏感的原理。與傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器相比，它還具有體積小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、復(fù)用性強等優(yōu)點。正因為這些獨特的優(yōu)點，光纖布拉格光柵越來越多的被應(yīng)用到大型結(jié)構(gòu)、電力、安防、石化、醫(yī)學(xué)、礦井、軍事等領(lǐng)域，其中，最引人矚目的是光纖光柵溫度傳感器在長距離測溫系統(tǒng)中的應(yīng)用。隨著中國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，光纖傳感領(lǐng)域的研究和產(chǎn)業(yè)化面臨著巨大的機遇和挑戰(zhàn)。本文綜述了光纖光柵溫度傳感器的傳感原理，光纖光柵傳感器封裝技術(shù)分類，分為保護性封
2、裝，敏化封裝，以及補償性封裝，列舉了三個封裝技術(shù)的實例，對他們的封裝結(jié)構(gòu)，封裝中的技術(shù)工藝，以及封裝后的一些參數(shù)進行了介紹。17目錄1、緒論21.1光纖光柵傳感器封裝技術(shù)概述22、光纖光柵傳感原理32.1光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和原理32.2光纖光柵傳感技術(shù)的類型簡介43.光纖光柵傳感器封裝技術(shù)分類53.1保護性封裝53.2敏化封裝63.3補償性封裝64.封裝技術(shù)實例74.1光纖光柵溫度傳感器抗應(yīng)變串?dāng)_封裝74.2Polyimide（聚酰亞胺）光纖光柵溫度傳感器的封裝104.3鍍銅光纖光柵的全金屬封裝11參考文獻14171、
3、緒論1.1光纖光柵傳感器封裝技術(shù)概述光纖光柵是普通光纖經(jīng)過特殊的光學(xué)工藝處理后，使纖芯折射率沿軸向，呈現(xiàn)周期性規(guī)律分布的物理結(jié)構(gòu)，其實質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的(透射或反射)光濾波器或反射鏡。通過人為改變光纖光柵結(jié)構(gòu)的分布，我們可以主動控制光在光纖中的傳播行為，光纖光柵結(jié)構(gòu)的多樣化可以使其光譜響應(yīng)特顯得非常豐富。同時，光纖光柵具有結(jié)構(gòu)簡單、器件微型化、帶寬范圍廣、耦合性好、附加損耗小、可與其他光纖器件融成一體等特點，除此之外光纖本身具有輕質(zhì)、電絕緣、柔韌、抗電磁干擾、徑細(xì)、化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)點，使得光纖光柵在光纖傳感、全光通
4、信、光信息處理等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。光纖光柵傳感器是以布拉格條件為基礎(chǔ)，以光纖光柵為載體，發(fā)展起來的一種本征波長調(diào)制型傳感器。光纖光柵傳感器是利用透射或反射譜波長峰值的變化，進而實現(xiàn)對物理量的測量。透射(反射)譜波長與光柵纖芯的有效折射率及折射率調(diào)制周期密切相關(guān)。當(dāng)外界應(yīng)變與溫度發(fā)生變化時，光纖光柵的纖芯折射率與折射率調(diào)制周期就隨之變化，然后影響光纖光柵的透射(反射)譜峰值波長的移動，通過測量Bragg峰值波長的移動量，實現(xiàn)對外界物理量變化的測量，上述即是光纖光柵傳感器的基本工作原理。光纖光柵傳感器可以實現(xiàn)對應(yīng)變、溫
5、度、壓力、電流、振動等基本物理量測量。利用光纖光柵進行傳感，需要適當(dāng)?shù)姆庋b技術(shù)，增加其敏感度，以利于檢測解調(diào)。在某些情況下，我們不希望溫度仁或應(yīng)變、壓力)對布拉格波長產(chǎn)生影響，就要對光柵進行減敏封裝，降低它對溫度仁或應(yīng)變、壓力)的靈敏度。這兩種技術(shù)統(tǒng)稱敏化技術(shù)。目前，一些敏化技術(shù)已經(jīng)在實際中得到應(yīng)用，但還有相當(dāng)一部分停留在實驗室階段。利用光纖光柵進行傳感面臨的又一難題是溫度、應(yīng)變交叉敏感問題。溫度和應(yīng)變都能引起布拉格波長的漂移，從單一的波長漂移量，我們無法區(qū)分其中哪些是溫度變化引起的，哪些是應(yīng)變引起的。這給我們出了很大的
6、難題。要實現(xiàn)光纖光柵傳感器的實用化，就必須采用各種封裝技術(shù)，或者剔除溫度的影響，或者實現(xiàn)溫度、應(yīng)變雙參數(shù)及多參數(shù)的同時測量。光纖光柵傳感技術(shù)適合應(yīng)用在很多惡劣的環(huán)境中，但由于光纖纖細(xì)柔軟，容易被損壞，因此需要采用一些封裝方法，保護光柵。在實用中對光纖光柵進行恰當(dāng)?shù)姆庋b非常必要，封裝工藝的好壞直接影響到光纖光柵傳感器能否從實驗室走向?qū)嵱?，對光纖光柵封裝技術(shù)進行研究，設(shè)計更好的封裝結(jié)構(gòu)和工藝尤為重要。172、光纖光柵傳感原理2.1光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和原理光纖光柵是發(fā)展最為迅速的一種新型光纖無源器件，是利用光纖材料的光敏性使
7、纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其實質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成窄帶的濾波器或反射鏡。以下簡單介紹應(yīng)用最為普遍的光纖布拉格光柵(FBG)的相關(guān)原理，圖2.1為其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及傳輸光譜示意圖。由耦合模理論可知，光纖布拉格光柵(FBG)的中心反射波長可表示為：λB=2neffΛ式中，λB為光纖布拉格光柵的中心反射波長或諧振波長，neff為光纖纖芯對自由空間中心波長的有效折射率，Λ為光纖布拉格光柵的光柵周期，上述公式稱為光纖布拉格光柵的相位匹配條件。FBG的傳感原理可以簡單地概括為:入射光經(jīng)過纖芯的布拉格光柵結(jié)構(gòu)時會發(fā)生散射，當(dāng)入射光的波長不滿足布拉
8、格匹配條件時，各個光柵面的散射光的相位會錯亂以致相互抵消。當(dāng)入射光的波長滿足布拉格匹配條件時，各光柵面的散射光相位保持一致，反射回來的光會得到逐步累積加強，形成反向傳導(dǎo)的反射峰。17根據(jù)公式可知，光纖布拉格光柵的中心反射波長由纖芯的有效折射率和光柵周期共同決定。有多種物理量可以改變纖芯的有效折射率和光柵周期(如加速度
