使用布拉格光栅阵列测量温度的方法

摘要

一种温度测量技术领域的使用布拉格光栅阵列测量温度的方法，根据待测温对象的几何结构以及测温点确定测温芯片的结构，测温装置上均匀布置若干布拉格光栅，测温装置贴合测温点，向各个布拉格光栅引入一束宽带输入光；温度变化前，宽带输入光入射至各个布拉格光栅，经过各个布拉格光栅后，与每个布拉格光栅对应的反射波长的光被反射回去，被反射的光形成基准输出光谱；温度变化后，宽带输入光入射至各个布拉格光栅，经过各个布拉格光栅反射后，被反射的光形成变化后的输出光谱。将变化后的输出光谱与基准输出光谱相比较，得到与各个布拉格光栅一一对应的波长改变量；依据波长改变量得到对应的各个布拉格光栅的温度改变量，从而得到测温装置的温度分布。本发明能够简便、实用、高效地进行测温。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种温度测量技术领域的方法，具体是一种使用布拉格光栅阵列测量 温度的方法。

背景技术

目前通常所采用的温度探测方法主要有热电偶法、电参数法和红外热成像探测法等。 热电偶法使用探针对目标点的温度进行采样，实际上相当于用几个微小的温度计来进行温度测 量，响应速度较慢，同时监测温度的范围较小，达不到芯片温度实时探测的要求；电参数法， 是一种间接的粗略估算方法，无法满足测试芯片温度的精度要求；红外测温法，是利用红外线 探测设备来描绘物体的整体温度分布或测量某一局域温度，所以要求探测器与被监测对象之间 无障碍物，且有足够空间来安置红外探测接收装置，所以该方法在内部空间利用率高、组件间 距狭小的许多仪器设备中应用较为困难。此外液晶测温容易受温度以外的因素影响，如电磁场 等，还有工艺复杂、存在液晶泄漏可能性等缺点。

另一方面，布拉格光栅是一种可将特定波长、特定入射角度的光波全部反射而让其它 光波完全透过的特殊光栅。通过外部因素改变光栅的周期，可以使其反射的波长发生变化。这 个独特的性质使布拉格光栅广泛应用于测量、通信、传感等领域。布拉格光栅反射的波长和折 射率变化周期的关系如下式

$\frac{2\pi }{\Lambda }=2·\frac{2\mathrm{\pi n}}{\lambda }\cos \theta$

其中Λ为光栅周期，即折射率变化周期，n为波导正常段的折射率，即真空光速与波 导中光速的比值，λ是光栅反射的波长，θ是光传播角度与光栅法线的交角。θ通常等于90°， 故上式可化简为λ=2nΛ。可见只要光栅周期发生变化，光栅所反射的波长也会发生变化。有很 多因素可以导致布拉格光栅周期的变化，如温度、应力等。因此，可以通过测量布拉格光栅反 射波长的变化来推断光栅周期的变化，进而得知引起光栅周期改变的因素的变化，此即为布拉 格光栅感应器的工作原理。

图1为布拉格光栅传感原理图，其中，a宽带探测光光谱；b经过一个布拉格光栅后的 透射谱；c无外界因素改变的布拉格光栅及其反射光谱；d因外界因素改变周期，示意图中为 变大的布拉格光栅及反射峰发生的变化，示意图中为红移。

超快激光直写式微纳加工技术基于非线性光学现象，只在激光焦点内改变材料的物理 化学性质而不损伤激光路径上除焦点外的材料，这使得这种技术相较于以往的加工技术具有两 点显著优势：一、极高的加工精度。因为材料需要在具有极高光强的区域，光强高于某一阈值 才会发生性质的改变，而这样的光强往往是聚焦超快激光形成的焦点才能提供，所以通过调节 整体激光光强可以控制曝光区域，即阈值等光强面所围成的区域的大小，甚至可以让该区域突 破衍射极限，通常为波长的四分之一。二、对制造对象几何复杂度的低敏感性。在激光焦点以 外光路区域并不会发生材料损伤，这一高度的空间选择性使得该技术可以加工任意形状的三维 物体，不存在加工死角。通过在材料内部按照由目标物体转化的扫描路径移动激光焦点，即可 制造出目标物体，这一生成过程类似于织毛衣、蚕作茧、燕子筑巢、纹身等。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN202075063，公开日2011-12-14， 记载了一种电缆测温的光纤布拉格光栅温度传感器，它包括布拉格光栅光纤和封装壳，布拉格 光栅光纤在预拉伸和固化后，光纤布拉格光栅段的横截面积缩小为未拉伸前的μ倍，0<μ<1， 光纤布拉格光栅放入薄片铝板的凹槽中，底部用耐高温胶封装固定于凹槽中。但该技术无法实 现同时大面积使用此类温度传感器检测物体整体温度分布情况。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种使用布拉格光栅阵列测量温度的方法， 能够简便、实用、高效地进行测温。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种使用布拉格光栅阵列测量温度的方法，包括以下步骤：

步骤一、根据待测温对象的几何结构以及测温点确定测温芯片的结构，测温装置中均 匀布置若干布拉格光栅，测温装置贴合测温点，向各个布拉格光栅引入一束宽带输入光；

步骤二、温度变化前，宽带输入光入射至各个布拉格光栅，经过各个布拉格光栅后， 与每个布拉格光栅对应的反射波长的光被反射回去，被反射的光形成基准输出光谱；温度变化 后，宽带输入光入射至各个布拉格光栅，经过各个布拉格光栅反射后，被反射的光形成变化后 的输出光谱；

步骤三、将步骤二中变化后输出光谱与基准输出光谱相比较，得到与各个布拉格光栅 一一对应的波长改变量；

步骤四、依据步骤三中的波长改变量得到对应的各个布拉格光栅的温度改变量，从而 得到测温装置的温度分布。

所述的步骤二中，布拉格光栅的布置方式为串联式、并联式或串并混合式，其中：

串联式是指，所有布拉格光栅由一条波导依次连接，与电路的串联概念相同。引入的 一束宽带输入光沿波导顺次入射各个布拉格光栅；

并联式是指，每个布拉格光栅由一条支路波导连接至干路波导，与电路的并联概念相 同。引入的一束宽带输入光沿干路波导行进并分束至支路波导，射入每个布拉格光栅前不经过 其它布拉格光栅，即每个布拉格光栅的入射光具有相同光谱；

串并混合式是指，若干串联的布拉格光栅形成一支路，每条支路连接至其它支路或波 导干路。

所述的步骤一中，布拉格光栅与测温点的位置的对应关系是：在测温芯片上划分出网 格结构，使每一个格子内仅有一个布拉格光栅，对所有格子按照一定次序编号为“1，2，3，......， N-1，N-2，N”，N为布拉格光栅的数量，则每个布拉格光栅有唯一一个编号，其测出的温度值 便可依编号填入对应的网格。

所述的步骤二中的宽带输入光的光谱包含全部N个布拉格光栅的反射光谱，宽带输入 光的传播方向与布拉格光栅垂直。

所述的步骤二中，基准输出光谱和变化后输出光谱为梳状的光谱，横坐标为波长λ，纵 坐标为光功率P。

所述的步骤三中，波长改变量Δλ₁，Δλ₂，Δλ₃，Δλ₄，......，Δλ_N-2，Δλ_N-1，Δλ_N，分别为每 个布拉格光栅在温度变化后的反射峰的横坐标偏移量，其中，N表示反射峰的数量，亦即布拉 格光栅的数量。

所述的步骤四中，温度改变量其中，α_Λ为芯片基底材料的热膨胀 系数，α_n为芯片基底材料的热光系数，λ_x表示某个布拉格光栅在无温度变化时的反射波长，x表 示该布拉格光栅的编号。

所述的测温装置的制备包括以下步骤：步骤1、依据待测温对象的几何结构及待测温 点位置确定布拉格光栅的布置方式进而确定测温装置的整体设置，制成CAD模型；步骤2、依 据CAD模型生成可供扫面的线段集合；步骤3、激光焦点沿线段集合扫描并生成测温装置。

所述的激光焦点扫描为超快激光直写，该超快激光是指脉冲持续时间小于1皮秒的脉 冲激光。

本发明涉及一种使用布拉格光栅阵列的测温装置，该装置的几何外形与待测温对象相 适应，包括：芯片基底、设置于芯片基底中且覆盖待测温对象的测温点的若干布拉格光栅以及 宽带输入光，其中：

布拉格光栅的布置方式为串联式、并联式或串并混合式，其中：

串联式是指，所有布拉格光栅由一条波导一次连接，与电路的串联概念相同。宽带输 入光的入射路线为：沿波导顺次入射各个布拉格光栅；

并联式是指，每个布拉格光栅由一条支路波导连接至干路波导，与电路的并联概念相 同。宽带输入光的入射路线为：沿干路波导行进并分束至支路波导，射入每个布拉格光栅前不 经过其它布拉格光栅；

串并混合式是指，若干串联的布拉格光栅形成一支路，每条支路连接至其它支路或波 导干路。宽带输入光的入射路线为：沿波导进入不同分支的布拉格光栅，入射布拉格光栅前既 可能经过其它布拉格光栅也可能没有经过。

所述的布拉格光栅与测温点的位置的对应关系是：在测温芯片上划分出网格结构，使 每一个格子内仅有一个布拉格光栅，对所有格子按照一定次序编号为“1，2，3，......，N-1，N-2， N”，N为布拉格光栅的数量，则每个布拉格光栅有唯一一个编号，其测出的温度值便可依编号 填入对应的网格。

所述的宽带输入光的光谱包含全部N个布拉格光栅的反射光谱，宽带输入光的传播方 向与布拉格光栅垂直。

本发明可实现微小区域、高精度、高密集度的温度分布实时监测。本发明采用超快激 光直写式微纳加工技术，加工对象不受形状复杂度限制，加工精度高达亚波长量级，加工过程 无须掩模等辅助工具，简单高效，因而本发明所描述的这种芯片具有设计与制造灵活，可根据 应用对象调整结构的定制化特点。此外，这种芯片监测手段与现有技术相比具有响应快速、分 辨率高、测量方式直接、误差小、空间占用少、无遮挡问题、不受电磁干扰、无探测物质泄漏 问题等一系列优势。

附图说明

图1为背景技术中布拉格光栅阵列传感原理图；

图2为测温装置的结构示意图；

图3为使用布拉格光栅阵列的测温装置的原理图；

图4为基准输出光谱和温度变化后输出光谱的光谱图；

图5为温度改变量和波长改变量的坐标关系图；

图6为测温装置的制备流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本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，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、根据待测温对象的几何结构以及测温点确定测温装置4的结构，测温装置4 中均匀布置若干布拉格光栅，测温装置4贴合测温点，向各个布拉格光栅2引入一束宽带输入 光3；

步骤二、温度变化前，宽带输入光3入射至各个布拉格光栅2，经过各个布拉格光栅2 后，与每个布拉格光栅2对应的反射波长的光被反射回去，被反射的光形成基准输出光谱；温 度变化后，宽带输入光3入射至各个布拉格光栅2，经过各个布拉格光栅2反射后，被反射的 光形成变化后的输出光谱；

步骤三、将步骤二中变化后输出光谱与基准输出光谱相比较，得到与各个布拉格光栅 2一一对应的波长改变量；

步骤四、依据步骤三中的波长改变量得到对应的各个布拉格光栅2的温度改变量，从 而得到测温装置4的温度分布。

如图2所示，所述的步骤二中，布拉格光栅2的布置方式为串联式、并联式或串并混 合式，其中：

串联式是指，测温装置4的芯片基底1中的所有布拉格光栅2由一条波导5依次连接。 引入的一束宽带输入光3沿波导5顺次入射各个布拉格光栅2；

并联式是指，测温装置4的芯片基底1中每个布拉格光栅2由一条支路波导6连接至 干路波导7。引入的一束宽带输入光3沿干路波导7行进并分束至支路波导6，射入每个布拉 格光栅2前不经过其它布拉格光栅2；

串并混合式是指，测温装置4的芯片基底1中若干串联的布拉格光栅形成一支路，每 条支路连接至其它支路波导6或干路波导7。

所述的步骤一中，布拉格光栅2与测温点的位置的对应关系是：在测温芯片上划分出 网格结构，使每一个格子内仅有一个布拉格光栅2，对所有格子按照一定次序编号为“1，2，3，......， N-1，N-2，N”，N为布拉格光栅2的数量，则每个布拉格光栅2有唯一一个编号，其测出的温 度值便可依编号填入对应的网格。

所述的步骤二中的宽带输入光3的光谱包含全部N个布拉格光栅2的反射光谱，宽带 输入光3的传播方向与布拉格光栅2垂直。

如图3所示，使用布拉格光栅2的测温装置4的原理，当被测物理量（温度或应力） 引起一个反射波长的变化Δλ时，相对变化Δλ/λ可由下式表示：

$\frac{\mathrm{\Delta \lambda }}{\lambda }=C_S\in +C_T\mathrm{\Delta T}$或$\frac{\mathrm{\Delta \lambda }}{\lambda }=(1-p_e)\in +({\alpha }_{\Lambda }+{\alpha }_n)\mathrm{\Delta T},$其中∈为应力，ΔT为温度变化，C_S为应力系 数（与应力光学系数p_e有关），C_T为温度系数，由材料的热膨胀系数α_Λ和热光系数α_n组成。 所以温度变化ΔT可由下式计算：

$\mathrm{\Delta T}=\frac{1}{\lambda ({\alpha }_{\Lambda }+{\alpha }_n)}\mathrm{\Delta \lambda }$

如图4所示，所述的步骤二中，基准输出光谱和变化后输出光谱为梳状的光谱，横坐 标为波长λ，纵坐标为光功率P。

所述的步骤三中，波长改变量Δλ₁，Δλ₂，Δλ₃，Δλ₄，......，Δλ_N-2，Δλ_N-1，Δλ_N，分别为每 个布拉格光栅2在温度变化后的反射峰的横坐标偏移量，其中，N表示反射峰的数量，亦即布 拉格光栅2的数量。

如图5所示，所述的步骤四中，温度改变量其中，α_Λ为芯片基底1 材料的热膨胀系数，α_n为芯片基底1材料的热光系数，λ_x表示某个布拉格光栅2在无温度变化 时的反射波长，x表示该布拉格光栅2的编号。

如图6所示，所述的测温装置4的制备包括以下步骤：步骤1、依据待测温对象的几 何结构及待测温点位置确定布拉格光栅2的布置方式进而确定测温装置4的整体设置，制成 CAD模型；步骤2、依据CAD模型生成可供扫面的线段集合；步骤3、激光焦点沿线段集合扫 描并生成测温装置4，激光焦点扫描为超快激光直写，该超快激光是指脉冲持续时间小于1皮 秒（10^-12秒）的脉冲激光。

实施例2

如图2所示，本实施例为应用于实施例1的测温装置4，包括：芯片基底1、设置于 芯片基底1中且覆盖待测温对象的测温点的若干布拉格光栅2以及宽带输入光3，其中：

布拉格光栅2的布置方式为串联式A、并联式B或串并混合式C，其中：

串联式A是指，测温芯片的基底中的所有布拉格光栅2由一条波导5依次连接。宽带 输入光3的入射路线为：沿波导5顺次入射各个布拉格光栅2；

并联式B是指，测温芯片的基底中每个布拉格光栅2由一条支路波导6连接至干路波 导7。宽带输入光3的入射路线为：沿干路波导7行进并分束至支路波导6，射入每个布拉格 光栅2前不经过其它布拉格光栅2；

串并混合式C是指，测温芯片的基底中若干串联的布拉格光栅2形成一支路，每条支 路连接至其它支路波导6或干路波导7。宽带输入光3的入射路线为：沿波导进入不同分支的 布拉格光栅2，入射布拉格光栅2前既可能经过其它布拉格光栅2也可能没有经过。

本实施例的几何外形与待测温对象相适应。

所述的布拉格光栅2与测温点的位置的对应关系是：在测温芯片上划分出网格结构， 使每一个格子内仅有一个布拉格光栅2，对所有格子按照一定次序编号为“1，2，3，......，N-1， N-2，N”，N为布拉格光栅2的数量，则每个布拉格光栅2有唯一一个编号，其测出的温度值 便可依编号填入对应的网格。

所述的宽带输入光3的光谱包含全部N个布拉格光栅2的反射光谱，宽带输入光3的 传播方向与布拉格光栅2垂直。