光纤布拉格光栅温度传感器复合结构及其制造方法

摘要

本发明公开了一种光纤布拉格光栅温度传感器复合结构，由金属套管、光纤包层和有布拉格光栅的光纤芯组成，光纤包层和套管之间用环氧树脂连接，包含布拉格光栅的部分光纤包层的横截面积缩小为原来的μ倍，0＜μ＜1。本发明还公开了一种光纤布拉格光栅温度传感器复合结构的制造方法，首先将要封装的在二氯甲烷中浸泡，除去光纤的涂敷层，再将部分光纤包层放入氢氟酸中腐蚀，使部分光纤的横截面减少到原来的μ倍，第三步，把腐蚀后的光纤放入金属套管中，在要封装的光纤上施加一个轴向拉伸应变，用环氧树脂将未减少截面积的部分光纤包层和金属套管粘接。本发明当μ≈0.6的时候，其等效温度灵敏度是普通光纤光栅的5.53倍，单独金属铝封装的1.72倍。

说明书

一.技术领域

本发明涉及一种光纤封装结构及制造方法，尤其涉及一种光纤布拉格光栅温度传感器复合结构及其制造方法。

二.背景技术

布拉格光纤光栅的反射中心波长λ_B与光纤光栅的折射率调制周期Λ和光纤有效折射率n_eff相关。作用于布拉格光纤光栅的应变或温度变化时，都会使其反射中心波长λ_B就会发生偏移。而对于普通λ_B≈1550nm的光纤布拉格光栅，理论和实验都表明其中心波长的温度灵敏度约为11pm/℃。

在布拉格光纤光栅传感和布拉格光纤光栅中心波长的温度调谐领域，总希望它的温度灵敏度越大越好，即温度变化时引起的中心波长λ_B偏移量越大，这样光纤光栅传感器的温度灵敏度k就越高，可以提高温度分辨率，同时光纤光栅中心波长调谐效率也可以大大提高。现有的光纤布拉格光栅温度传感封装结构的灵敏度较低，且不能适应各种不同的高灵敏度要求的应用场合。

三.发明内容

1.技术问题

本发明提供一种高灵敏度、易实现、宽范围布拉格光栅光纤温度传感器封装结构及其制造方法。

2.技术方案

一种光纤布拉格光栅温度传感器复合结构，由套管1、光纤包层2和有布拉格光栅的光纤芯3组成，有布拉格光栅的光纤芯3位于光纤包层2中，光纤包层2位于套管1内，套管1、光纤包层2及光纤芯3长度均为10～30mm，光纤包层2和套管1之间用环氧树脂4连接，其特征在于包含布拉格光栅的部分光纤包层5的横截面积缩小为原来的μ倍，0＜μ＜1，包含布拉格光栅的部分光纤包层5的长度为2～10mm，套管1的内径为1～5mm，外径为1.5～10.5mm，金属套管1与未减少截面的部分光纤包层6之间用环氧树脂4粘接。

一种光纤布拉格光栅温度传感器复合结构的制造方法，第一步，将长度为10～30mm的要封装的光纤在二氯甲烷中浸泡5～40分钟，除去光纤的涂敷层，第二步，将包含布拉格光栅的部分光纤包层5放入质量浓度为10％～40％氢氟酸中腐蚀20～60分钟，使得包含布拉格光栅的部分光纤5的横截面减少到原来的μ倍，0＜μ＜1，其中，包含布拉格光栅的部分光纤5的长度为2～10mm，第三步，把腐蚀后的光纤放入内径为1～5mm，外径为1.5～10.5mm，长度为10～30mm的金属套管1中，在要封装的光纤上施加一个100～500μstrain的轴向拉伸应变，用环氧树脂4将未减少截面积的部分光纤包层6和金属套管1粘接，并使环氧树脂4暴露在空气中12～60个小时。

3.技术效果

(1)这种光纤光栅的温度增敏封装技术通过把光纤光栅粘贴在套管1(套管可以是-----金属铝，铝合金，钢，铜，以及热膨胀系数较大的有机聚合物等)上，通过热膨胀系数较大的套管热胀冷缩，从而使得光纤光栅的温度灵敏度提高。铝管或铝合金(如硬铝合金、防锈铝合金等适合于管材的铝合金)套管，其热膨胀系数很大，用这些材料可以获得更高的灵敏度。

(2)通过腐蚀过程使刻有布拉格光栅的光纤部分的截面积减小为原来的μ(0＜μ＜1)倍，这样在受到同样的轴向力的时候，光纤光栅腐蚀区的应变ε_g是没有腐蚀的光纤部分的应变ε_f的倍。然后把经过腐蚀后的光纤光栅粘贴在金属铝套管中，由于铝的热膨胀系数远大于光纤材料，利用温度变化时候铝的热胀冷缩使光栅受到轴向应变，从而把应变引起的中心波长偏移效应叠加到光纤光栅中心波长的温度效应上，使其等效温度系数提高，而且由于腐蚀后的光纤光栅部分受到的应变大于没有腐蚀的部分，所以这样封装的光纤光栅的温度灵敏度比只用金属铝封装提高了倍，并且可以通过精确控制腐蚀程度来控制光纤光栅的温度灵敏度，具有一定的灵活性。

(3)在封装的过程中需要通过轴向拉力给光纤光栅一定的拉伸应变100～500μstrain，因为拉伸应变就可以抵消低温时候光纤的冷缩引起的长度变短，从而使器件在满足一定的温度响应范围。在一定的温度范围内光纤光栅不松动，始终受到铝套管的热胀冷缩的影响，从而在一定的温度范围内能有温度增敏的效果。

(4)在上面各种参数中，为了提高灵敏度和器件的稳定性，优化一些工艺参数可以取得更好的效果：腐蚀区长度：5～10mm；太短腐蚀工艺难度加大，太长封装尺寸增大。金属套管内径：1～2mm；内径太大加大封装难度，太大减慢套管于光纤之间的热传导，即减慢器件的响应速度。金属管外径：1.5～2.5mm；大减慢套管于光纤之间的热传导，即减慢器件的响应速度，而且增大器件尺寸。μ值大小：0.2～1；太小光纤容易断裂，加大封装难度。

(5)封装后环氧树脂4在空气中暴露一段时间使得环氧树脂在室温下固化，从而达到更好的粘结效果。

(6)综合两种效应，可以大大提高光纤光栅的温度灵敏度。这种封装技术有很好的灵活性，通过选择不同热膨胀系数的材料，结合精确控制光纤光栅的腐蚀程度，可以很容易实现各种不同温度灵敏度要求的特殊封装。

(7)若仅采用金属套管的方法，则光栅的温度灵敏度完全依赖金属的热膨胀系数，要实现特定温度灵敏度的光栅就要选择相应的金属，难于实现甚至无法实现某些温度灵敏度的光栅；而若只采用腐蚀的技术，只能提高光纤光栅的应变灵敏度，而我们提出的封装结构可以把腐蚀后增大的应变灵敏度转化为温度灵敏度，并且仅仅依靠腐蚀来温度增敏调谐灵敏度的范围很小，而结合金属封装和腐蚀增敏两种技术可以弥补两种技术的缺点，可以通过选择套管材料进行温度灵敏度粗调，进而通过腐蚀实现温度灵敏度细调，从而更加容易实现各种特殊灵敏度要求的光栅。

(8)金属铝封装后的光纤光栅在-20℃～90℃温度范围内，当μ≈0.6的时候，其等效温度灵敏度是普通光纤光栅的5.53倍，是单独金属铝封装的光栅的温度灵敏度的而且封装后的1.72倍，光纤光栅温度特性曲线线性度达到了0.9973。

工作原理：

光纤光栅的折射率沿光纤轴向周期性分布，这种器件具有良好的波长选择特性，只有满足布拉格条件的波长的光被耦合到反向传输模中，布拉格光纤光栅的中心波长λ_B满足以下Bragg方程：

                    λ_B＝2·n_eff·Λ                 (1)

式中：n_eff是光纤光栅的有效折射率，Λ是光纤光栅的折射率调制周期。(1)式对温度T求导可以得到：

$>>>>d\lambda >B>>dT>>=>2>·>>(>>>dn>eff>>dT>>·>\Lambda >+>>d\Lambda >dT>>·>>n>eff>>)>>->->->->>(>2>)>>>s>$

(1)式除以(2)式，可以得到：

$>>>>d\lambda >B>>>\lambda >B>>>=>>(>>1>>n>eff>>>·>>>dn>eff>>dT>>+>>1>\Lambda >>·>>d\Lambda >dT>>)>>dT>->->->->>(>3>)>>>s>$

式中：是光纤光栅的热光系数，用参数β表示；是光纤光栅的热膨胀系数，用参数α表示。所以(3)式又可以表示成：

$>>>>d\lambda >B>>>\lambda >B>>>=>>(>\beta >+>\alpha >)>>·>dT>=>\eta >·>dT>->->->->>(>4>)>>>s>$

式中：若假设η为光纤光栅的温度灵敏度系数；对于普通石英光纤，β＝6.8×10^-6/℃，α＝0.55×10^-6/℃，则普通光纤光栅的温度灵敏度系数η＝7.35×10^-6/℃，并且从(4)式可以得到光纤光栅的温度灵敏度为：

                   Δλ_B＝λ_B·η·ΔT＝k·ΔT            (5)

其中 $>>k>=>>>\Delta >>\lambda >B>>>\Delta T>>=>>\lambda >B>>·>\eta >>s>为光纤光栅的温度灵敏度，且假设封装后光纤光栅的等效温度灵敏度为k\prime 。由于光纤的热光效应占温度灵敏度的主导地位，所以光纤光栅热膨胀效应几乎可以忽略。若我们可以增大热膨胀对温度灵敏度的影响，就可以增大光纤光栅的等效温度灵敏度k\prime 。将光纤光栅粘贴在金属铝基底上，由于铝的热膨胀系数\alpha$_s＝23×10^-6/℃大于石英光纤的α，所以温度变化dT时光纤光栅上产生的应变为：

                      ε_T＝(α_s-α)·dT                  (6)

然后将有光栅的部分光纤腐蚀，使它的截面积变小，设截面积的腐蚀因子为 $>>\mu >=>>>S>\prime >>S>>>(>\mu >\le >1>)>>,>>s>其中S和S\prime 分别为腐蚀前后的光纤截面积，且根据胡克定律，腐蚀前后光纤产生的轴向应变为：$

$>>>ϵ>T>>=>>1>E>>·>>F>S>>->->->->>(>7>)>>>s>$

$>>>>ϵ>T>>\prime >>=>>1>E>>·>>F>>S>\prime >>>->->->->>(>8>)>>>s>$

其中ε_T和ε′_T分别为未腐蚀和腐蚀部分所受到的应变大小，所以：

$>>>>>ϵ>T>>\prime >>>ϵ>T>>>=>>S>>S>\prime >>>=>1>/>\mu >->->->->>(>9>)>>>s>$

由(6)和(9)可以得出，封装在铝基底上的腐蚀过的光栅受到的应变ε′_T为：

$>>>>ϵ>T>>\prime >>=>>(>1>/>\mu >)>>·>>(>>\alpha >s>>->\alpha >)>>·>dT>->->->->>(>10>)>>>s>$

在直接利用金属增敏的基础上又增大了倍。所以温度变化引起的应变导致的布拉格波长变化为：

$>>>>d\lambda >B>>>\lambda >B>>>=>>(>1>->>p>e>>)>>·>>>ϵ>T>>\prime >>=>>(>1>->>p>e>>)>>·>>(>1>/>\mu >)>>·>>(>>\alpha >s>>->\alpha >)>>·>dT>->->->->>(>11>)>>>s>$

式中p_e＝0.22为光纤材料的有效光弹系数。由(11)可以得出经封装后的光纤光栅的等效温度灵敏度k′为

$>>>k>\prime >>=>[>1>/>\mu >·>>(>1>->>p>e>>)>>·>>(>>\alpha >s>>->\alpha >)>>+>\eta >]>·>>\lambda >B>>=>[>>(>\beta >+>\alpha >)>>+>1>/>\mu >>(>1>->>p>e>>)>>·>>(>>\alpha >s>>->\alpha >)>>]>·>>\lambda >B>>->->->->>(>12>)>>>s>$

四.附图说明

图1  为本发明光纤布拉格光栅温度传感器复合结构示意图

图2  为未封装光纤光栅、金属铝封装光纤光栅和腐蚀增敏金属铝封装光纤光栅的温度系数对比图，其中数据点为黑三角的是本发明光纤布拉格光栅温度传感器复合结构

五.具体实施方案

实施例1  一种光纤布拉格光栅温度传感器复合结构，由套管1(可以为铝套管)、光纤包层2和有布拉格光栅的光纤芯3组成，有布拉格光栅的光纤芯3位于光纤包层2中，光纤包层2位于套管1内，套管1、光纤包层2及光纤芯3长度均为10～30mm，光纤包层2和套管1之间用环氧树脂4(市场可购得，可以用3M公司的DP460型)连接，本实施例中，包含布拉格光栅的部分光纤包层5的横截面积缩小为原来的μ倍，0＜μ＜1，可以为0.1，0.2，0.3，0.5，0.6，0.8，0.9，包含布拉格光栅的部分光纤包层5的长度为2～10mm，可以为2mm，5mm，8mm，套管1为金属套管，其内径为1～5mm，可以为1mm，1.5mm，2mm，3mm，4mm，5mm，外径为1.5～10.5mm，1.5mm，2.0mm，2.5mm，3.0mm，5mm，7mm，9mm，10mm，金属套管1与未减少截面的部分光纤包层6之间用环氧树脂4(市场可购得)粘接。

实施例2  一种光纤布拉格光栅温度传感器复合结构，由金属套管1(可以为铝或者铝合金套管，铝合金可以是硬铝合金或者防锈铝)、光纤包层2和有布拉格光栅的光纤芯3组成，有布拉格光栅的光纤芯3位于光纤包层2中，光纤包层2位于套管1内，套管1、光纤包层2及光纤芯3长度均为10～30mm，光纤包层2和套管1之间用环氧树脂4(市场可购得，3M公司的DP460型)连接，包含布拉格光栅的部分光纤包层5的横截面积缩小为原来的μ倍，0＜μ＜1，可以为0.1，0.2，0.3，0.5，0.6，0.8，0.9，包含布拉格光栅的部分光纤包层5的长度为2～10mm，可以为2mm，5mm，8mm，金属套管1的内径为1～5mm，可以为1mm，1.5mm，2mm，3mm，4mm，5mm，外径为1.5～10.5mm，1.5mm，2.0mm，2.5mm，3.0mm，5mm，7mm，9mm，10mm，金属套管1与未减少截面的部分光纤包层6之间用环氧树脂4(市场可购得)粘接。

实施例3  一种光纤布拉格光栅温度传感器复合结构的制造方法，第一步，将长度为10～30mm的要封装的光纤在二氯甲烷中浸泡5～40分钟，可以为10分钟，20分钟，除去光纤的涂敷层，第二步，将包含布拉格光栅的部分光纤包层5放入质量浓度为10％～40％氢氟酸中腐蚀20～60分钟，使得包含布拉格光栅的部分光纤5的横截面减少到原来的μ倍，0＜μ＜1，μ可以为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，其中，包含布拉格光栅的部分光纤5的长度为2～10mm，可以为3mm，5mm，7mm，9mm，氢氟酸的浓度可以为10％，20％，25％，30％，腐蚀时间可以为60分钟，50分钟，30分钟，10分钟，第三步，把腐蚀后的光纤放入内径为1～5mm，例如可以为1mm，2mm，3mm，4mm，外径为1.5～10.5mm，可以选取为1.5mm，2.5mm，3.5mm，4.5m，长度为10～30mm的金属套管1中，在要封装的光纤上施加一个100～500μstrain的轴向拉伸应变(采用光纤夹具施加轴向应变)，应变可以为100μstrain，200μstrain，300μstrain，400μstrain，用环氧树脂4(市场可购得)将未减少截面积的部分光纤包层6和金属套管1粘接，并使环氧树脂4(市场可购得)暴露在空气中12～60个小时，可以为24小时。

实施例4  一种光纤布拉格光栅温度传感器复合结构的制造方法，第一步，将长度为10～30mm的要封装的光纤在二氯甲烷中浸泡5～40分钟，可以为10分钟，20分钟，除去光纤的涂敷层，第二步，将包含布拉格光栅的部分光纤包层5放入质量浓度为10％～30％氢氟酸中腐蚀20～50分钟，使得包含布拉格光栅的部分光纤5的横截面减少到原来的μ倍，0＜μ＜1，μ可以为0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，其中，包含布拉格光栅的部分光纤5的长度为2～10mm，可以为3mm，5mm，7mm，9mm，氢氟酸的浓度可以为10％，20％，  30％，腐蚀时间可以为50分钟，30分钟，10分钟，第三步，把腐蚀后的光纤放入内径为1～5mm，例如可以为1mm，2mm，3mm，4mm，外径为1.5～10.5mm，可以选取为1.5mm，2.5mm，3.5mm，4.5m，长度为10～30mm的金属套管1中，在要封装的光纤上施加一个200～300μstrain的轴向拉伸应变(采用光纤夹具施加轴向应变)，应变可以为200μstrain，300μstrain，用环氧树脂4(市场可购得，3M公司的DP460型)将未减少截面积的部分光纤包层6和金属套管1粘接，并使环氧树脂4(市场可购得，3M公司的DP460型)暴露在空气中12～60个小时，可以为24小时。