CN201935699U - 一种温度不敏感的光纤光栅封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的是一种温度不敏感的光纤光栅的封装结构。其封装结构具体为，光纤光栅一端的非栅区固定在T型金属片上，T型金属片与一块半圆柱形金属片的一端固定在一起，光栅另一端固定在半圆柱形金属片的另一端，并使光纤光栅的栅区悬空与半圆柱形金属片内。另一半圆柱形金属片与第一块半圆柱形金属片固定在一起形成1个封闭的圆筒结构。通过两种不同热膨胀系数的金属片的热膨胀差异来抵消温度对光纤光栅布拉格波长的改变，最终使光纤光栅的布拉格波长不受外界温度的影响，即对温度不敏感。

Description

一种温度不敏感的光纤光栅封装结构

技术领域

本发明设计的是一种光学领域的器件封装方法，具体设计一种温度不敏感的光纤光栅封装结构。

技术背景

由于FBG对应变与温度都敏感，应变和温度都能引起FBG传感波长发生漂移。当FBG用于传感应变或温度时，不能区分应变或温度所引起的传感波长的漂移量。这种温度和应变的交叉敏感使其在光纤传感领域的应用受到限制。因此在实际应用中必须解决温度交叉敏感问题。在利用FBG测量应力时必须进行温度补偿，使其在应用过程中实现温度不敏感。这也是FBG传感器应用的关键问题。

为了使光栅的中心波长不随温度而变化，人们提出了许多解决FBG应力温度交叉敏感问题的温度补偿方法，主要可以分成一下两种方式：1有源方式，2无源方式。有源方式是使用附加温度控制系统而使光栅所在的环境温度恒定，最终达到稳定光栅中心波长的目的。无源封装则是利用特殊的材料或结构等来稳定中心波长。无源封装的实现目前主要有负膨胀材料封装技术、双材料结构封装技术和绝热封装技术等方法。无源方式以其体积小、成本低、使用方便等优点，已成为一个主要的研究方向。

目前，上述有源封装和无源封装同样存在封装结构复杂、成本高、难于制作、不利于产品实用化和小型化等问题。

发明内容

本实用新型针对上述问题，提出一种结构简单、成本低、体积小、制作方便的双金属封装的温度不敏感光纤光栅的封装方法。即利用金属材料的膨胀系数差异，在温度变化时产生几何尺寸差，通过选取适当的金属几何参数，以实现自动温度补偿。

该传感器的各参数选择方法如下：

由应变和温度导致FBG传感波长产生漂移量大小可表示为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}={\mathrm{\α}}_T\mathrm{\ΔT}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ϵ}=(\mathrm{\α}+\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}}\mathrm{\ζ})\mathrm{\ΔT}+(1-P)\mathrm{\ϵ}---\left(1\right)$

其中α为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤的热光系数，P为弹光系数，n_eff为光纤的有效折射率。当温度变化ΔT时，光栅轴向需要产生如下大小的应变量ε，以便进行温度补偿：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(\mathrm{\α}+\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}}\mathrm{\ζ})\mathrm{\ΔT}+(1-P)(\mathrm{\ϵ}-\mathrm{\α\ΔT})---\left(2\right)$

令式(2)左边为零，可得：

$\mathrm{\ϵ}=-(\mathrm{P\α}+\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}}\mathrm{\ζ})\mathrm{\ΔT}/(1-P)---\left(3\right)$

本发明利用两种不同的金属材料组成FBG温度补偿结构，两种金属材料的热膨胀系数是不同的。其结构如图1所示。其中金属材料1为空心半圆柱金属片，长度为L₁，金属材料2为T型金属片，长为L₂，金属材料1的热膨胀系数α₁比金属材料2热膨胀系数α₂要小。FBG光栅长度为L₃(且L₁＝L₂+L₃)。由于金属材料2比金属材料2膨胀的要大，当温度发生变化时，FBG光栅产生的应变为：

ε＝(L₂α₂-L₁α₁)ΔT/L₃                (4)

当式(3)与式(4)相等时，就能够实现温度补偿，即：

$\left\{\begin{array}{c}(L_2{\mathrm{\α}}_2-L_1{\mathrm{\α}}_1)/L_3=(\mathrm{P\α}+\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}}\mathrm{\ζ})/(1-P)\\ L_1=L_2+L_3\end{array}\right.---\left(5\right)$

对于一般的石英光纤，α＝0.55×10^-6/℃，ζ＝6.8n_eff×10^-6/℃，n_eff＝1.456，P＝0.22，由式(5)可得：

(L₂α₂-L₁α₁)/L₃＝8.873×10^-6          (6)

由式(4)(2)分别可知，ε与ΔT为线性关系，Δλ_B与ΔT为线性关系。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：2块半圆柱形金属片1、1块T型金属片2和光纤光栅。其封装结构为，光纤光栅一端的非栅区固定在T型金属片上，T型金属片与一块半圆柱形金属片的一端固定在一起，光栅另一端固定在半圆柱形金属片的另一端，并使光纤光栅的栅区悬空与半圆柱形金属片内。另一半圆柱形金属片与第一块半圆柱形金属片固定在一起形成1个封闭的圆筒结构。

所述的光纤光栅为普通标准单模光纤刻制的布拉格光纤光栅，光栅栅区的长度为18～28mm。

所述半圆柱形金属片1长度为L₁，其热膨胀系数α₁。

所述T型金属片2长度为L₂，其热膨胀系数α₂。

本发明工作时，光纤光栅的布拉格波长会随环境温度变化而发生漂移，同时温度也会作用于金属片，通过两种不同热膨胀系数的金属片的热膨胀差异来抵消温度对光纤光栅布拉格波长的改变，最终使光纤光栅的布拉格波长不受外界温度的影响，即对温度不敏感。

与现有的技术相比，本发明产生了温度不敏感光纤光栅的封装结构。这种封装结构对于监测对象的外界环境温度变化实现了自动补偿，即表现为对温度不敏感，只对应变敏感。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为封装结构的装配示意图；

图3为FBG封装前后光纤光栅反射波长变化对比结果。

附图中主要部件的符号说明：

1——金属片1

2——金属片2

3——光纤光栅

4——金属片1与光纤光栅的粘接点

5——金属片2与光纤光栅的粘接点

6——金属片1与金属片2接合的固定孔

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：是实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，本发明的保护权不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：2片半圆柱形金属片1、T型金属片2和光纤光栅3。其封装结构为，光纤光栅3一端的非栅区固定在T型金属片2上，T型金属片2与一块半圆柱形金属片1的一端固定在一起，光纤光栅3另一端固定在半圆柱形金属片1的另一端，并使光纤光栅的栅区悬空与半圆柱形金属片1内。另一半圆柱形金属片与第一块半圆柱形金属片固定在一起形成1个封闭的圆筒结构，如图2所示。

所述的光纤光栅为普通标准单模光纤刻制的布拉格光纤光栅，光栅栅区的长度为18～28mm。

所述所述半圆柱形金属片1为2块，其长度均为L₁，其热膨胀系数α₁。

所述T型金属片2为1块，其长度为L₂，其热膨胀系数α₂。

本发明工作时，光纤光栅的布拉格波长会随环境温度变化而发生漂移，同时温度也会作用于金属片，通过两种不同热膨胀系数的金属片的热膨胀差异来抵消温度对光纤光栅布拉格波长的改变，最终使光纤光栅的布拉格波长不受外界温度的影响，即对温度不敏感。

图3为FBG封装前后光纤光栅反射波长变化对比结果。实验中把自动温度补偿金属封装的FBG放入恒温箱中，温度测量范围为-20℃～100℃，实验结果如图3所示。由图3可知，FBG采用本发明所述的封装方法后，温度灵敏度由11pm/℃降低为约1.5pm/℃，通过优化结构和制作工艺可进一步降低到1pm/℃。

本发明产生了温度不敏感的光纤光栅封装结构。采用该封装结构的光纤光栅对于监测对象的外界环境温度变化不敏感。

Claims (5)

1.一种温度不敏感光纤光栅传感器封装结构，其特征是包括：半圆柱形金属铁片1、半圆柱形金属铁片2、T型金属铝片和光纤光栅；其封装结构为，光纤光栅一端的非栅区固定在T型金属片上，T型金属片与一块半圆柱形金属片的一端固定在一起，光栅另一端固定在半圆柱形金属片的另一端，并使光纤光栅的栅区悬空于半圆柱形金属片内；另一半圆柱形金属片与第一块半圆柱形金属片固定在一起形成1个封闭的圆筒。

2.根据权利要求1所述的温度不敏感光纤光栅传感器封装结构，其特征是，所述封装材料为正热膨胀系数的金属片，其中金属片1为铁片，金属片2为铝片。

3.根据权利要求1所述的温度不敏感光纤光栅传感器封装结构，其特征是，所述光纤光栅为标准单模光纤刻制，光纤光栅栅区长度为18～28mm。

4.根据权利要求1所述的温度不敏感光纤光栅传感器封装结构，其特征是，所述的金属片1为半圆柱形，金属片2为T型。

5.根据权利要求1所述的温度不敏感光纤光栅传感器封装结构，其特征是，所述的金属片1为2块，金属片2为1块。 

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