管式封裝FBG大量程溫度傳感器及其特性研究*

張 翔，譚躍剛，陳宜煬，李天梁

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢430070)

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管式封裝FBG大量程溫度傳感器及其特性研究*

張 翔，譚躍剛，陳宜煬，李天梁

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢430070)

針對工程溫度測量問題，提出了一種光纖光柵溫度傳感器的管式封裝方法。利用耐高溫AB膠將裸光柵粘貼于銅管內(nèi)壁，實現(xiàn)增敏效果。首先簡述了光纖光柵溫度傳感原理及其增敏模型，然后搭建了相應的溫度實驗平臺，并且實驗研究了銅管封裝FBG溫度傳感器與裸光柵的溫度感知特性。實驗結(jié)果表明：在-40℃～120℃的區(qū)間范圍內(nèi)，銅管封裝FBG溫度傳感器的靈敏度達到25 pm/℃左右，與理論值相符，且相較于裸光柵具有更高的靈敏度與線性度。該溫度傳感器具有良好的溫度感知特性，可以應用于工程溫度的檢測。

光纖布拉格光柵 溫度傳感器 銅管

0 引言

光纖光柵作為一種新型無源濾波器，具有體積小、抗干擾能力強、分布式測量等一系列優(yōu)點[1]，通過不同的封裝方式突出光纖光柵對某一參量的敏感性從而將其應用于溫度、壓力、應變等不同參量的測量，因此自其問世以來，已廣泛應用于化學工程，航天航空，建筑工程等領(lǐng)域[2-3]。

溫度和應變的變化是能直接引起B(yǎng)ragg光柵反射波長漂移的物理量，在避免應變干擾的情況下，通過檢測光纖光柵中心波長漂移量就可以獲得環(huán)境溫度的變化。因此通過將光纖光柵應用于溫度變化的測量具有靈敏度高，穩(wěn)定性好等特點。近年來很多高校專家學者對光纖光柵的溫度傳感特性進行了研究，同時設計了許多不同封裝處理的光纖光柵溫度傳感器。例如大連理工大學的柳陽等通過對Bragg光柵進行高溫熱處理后可以實現(xiàn)對-30℃～1 000℃范圍內(nèi)的溫度測量[4]；武漢理工大學的郭明金等通過細金屬管以及鍍金方式對光纖光柵進行封裝，并在低溫條件下進行了實驗獲取了其低溫特性，并得知鍍金封裝的光纖光柵溫度傳感器在-70℃～0℃內(nèi)對溫度的測量準確度高，且重復性較好[5]。

以上方法工藝過程較為復雜，具有較高的使用成本。本文介紹了一種針對光纖Bragg光柵的簡單封裝方法，通過耐高溫膠將裸光柵直接粘貼于銅基材，提高了傳感器的靈敏度與線性度。該方法可通過改變基材的方式獲得不同的傳感器靈敏度。實驗發(fā)現(xiàn)銅管封裝FBG溫度傳感器在-40℃～120℃的區(qū)間范圍內(nèi)，靈敏度達到了25.7 pm/℃，同時其具有多次重復實驗靈敏度不變的穩(wěn)定性特點，能夠應用于工程實踐中。該方法對于降低光纖光柵溫度傳感器的使用成本，擴大其產(chǎn)業(yè)化應用具有較好的實際意義。

1 光纖光柵溫度傳感增敏模型

當一束寬帶光進入光纖布拉格光柵時，它能對波長滿足光纖反射條件的入射光產(chǎn)生反射，該反射光波的波長稱為光纖布拉格光柵的中心波長λB，它與折射率和光柵周期的關(guān)系為：

λB=2neffΛ

(1)

式中，neff為纖芯有效折射率；Λ為光柵的調(diào)制周期。

由式(1)可知，光纖光柵的反射波長是隨纖芯有效折射率和光柵周期而變化的。由光柵理論可知，環(huán)境溫度變化引起的FBG中心波長漂移可表示為：

ΔλB=λB(α+ξ)ΔT

(2)

式中：ΔλB為布拉格波長的變化，α、ζ分別代表光纖的熱膨脹系數(shù)、熱光系數(shù)，ΔT表示溫度的變化。由式(2)可知，光柵中心波長漂移ΔλB與外界環(huán)境的溫度變化ΔT呈線性關(guān)系。因此，通過測量反射波長相對變化量ΔλB的大小，就可以確定外界溫度T。

裸光柵的溫度靈敏度較低，因此常將其粘貼于熱膨脹系數(shù)較大的基材之上，實現(xiàn)增敏效果，且當αsub?α時，則有如下溫度與FBG波長變化的關(guān)系[6]：

ΔλB=λB[(1-Pe)αsub+ζ]ΔT

(3)

其中Pe為光纖彈光系數(shù)，αsub為基材熱膨脹系數(shù)。簡化后，得：

k=(1-Pe)αsub+ζ

(4)

即為傳感器的靈敏度。對于普通的光纖材料Pe=0.22，ζ=6.67×10-6℃-1。T2的熱膨脹系數(shù)為αsub=2.4×10-5℃-1。代入式(4)，可得k=25.39 pm/℃。

2 溫度傳感特性實驗

2.1 銅管封裝FBG溫度傳感器的結(jié)構(gòu)

圖1 銅管封裝FBG低溫溫度傳感器實物圖與結(jié)構(gòu)圖

銅管封裝FBG溫度傳感器的光纖光柵初始中心波長為1 285 nm，F(xiàn)BG長度8 mm。選用T2材質(zhì)銅管，其中外徑為2 mm，內(nèi)徑為1 mm，長度約為40 m。封裝時將光纖光柵伸入銅管之中并與內(nèi)壁貼合，如圖1(a)所示。然后將調(diào)配好的耐高溫AB膠灌入銅管之中，利用熱風槍對銅管進行加熱處理，待膠水由無色透明態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樯钭厣?，停止加熱，此時膠水完全固化。此方法是通過結(jié)合光纖光柵對溫度與應變同時感知以及銅基材的大熱膨脹特性，實現(xiàn)光柵的溫度增敏。銅管封裝FBG溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和實物如圖1所示。

2.2 實驗系統(tǒng)

溫度實驗采用銀河CT6025F高低溫試驗箱實現(xiàn)，溫度控制范圍-70℃～150℃，精度為0.1℃。選用理工光科高速光纖光柵解調(diào)儀對傳感器進行數(shù)據(jù)采集，該設備的解調(diào)分辨率為0.1 pm，解調(diào)頻率最高達4 kHz。

銅管封裝FBG溫度傳感器溫度特性實驗裝置如圖2所示。實驗時，為了驗證銅基材的增敏效果，將一根中心波長為1 288 nm的裸光柵作為對比。將裸光柵與待測FBG溫度傳感器同時放入高低溫試驗箱中，以-40℃為起點，120℃為終點，做了兩次升溫實驗。零下為-40℃、-25℃、-10℃三組溫度；零上從0℃開始，每隔20℃記錄一組數(shù)據(jù)。每當溫度數(shù)顯達到設定溫度，保溫15～20 min記錄一次數(shù)據(jù)，即記錄每個溫度點對應的光纖光柵中心波長值。

(a)實驗原理圖 (b)實驗實物圖圖2 “光纖光柵低溫傳感器”標定實驗原理與實物圖

2.3 傳感特性實驗分析

圖3 銅管封裝FBG溫度傳感器、裸光柵波長與溫度變化關(guān)系

銅管封裝FBG

溫度傳感器與裸光柵，在測試的-40℃～120℃溫度范圍內(nèi)，中心波長隨溫度變化曲線如圖3所示。由圖3可發(fā)現(xiàn)：1)裸光柵的波長與溫度變化是非線性的，在20℃附近出現(xiàn)一個明顯的拐點，主要由于光纖光柵的熱膨脹系數(shù)在不同溫度區(qū)間不同而引起；2)粘貼于銅基材上的光柵波長與溫度的變化呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，且靈敏度也明顯高于裸光柵。由此可知通過銅基材封裝后的FBG溫度傳感器，相較裸光纖光柵不僅具有明顯的溫度增敏作用，而且有效提高了檢測系統(tǒng)的線性度，可實現(xiàn)大量程溫度范圍的檢測。

圖4 銅管封裝FBG溫度傳感器中心波長與溫度關(guān)系擬合直線

將圖3中兩組銅管封裝FBG溫度傳感器的實驗數(shù)據(jù)平均處理，得到中心波長與溫度關(guān)系擬合直線，如圖4所示。在-40℃～120℃范圍內(nèi)，擬合直線方程為λB=1 285.205 49+0.025 71×T，線性誤差為0.99%。由此可得銅管封裝FBG溫度傳感器的靈敏度為25.71 pm/℃，與理論值25.39 pm/℃符合。相較于1 300 nm波段裸光柵9～10 pm/℃的靈敏度[7]，提高了約1.5倍。

3 結(jié)論

光纖光柵本身脆弱，并且存在應變溫度交叉干

擾等問題，無法直接應用于工程測試。而采用這種簡單的管式封裝方式，在增敏與提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，亦能保護光纖光柵。通過實驗研究了銅管封裝FBG溫度傳感器的傳感特性，實驗結(jié)果表明：銅管封裝FBG溫度傳感器在-40℃～120℃的工作區(qū)間內(nèi)，靈敏度達到了25.7 pm/℃與理論值相符，與裸光柵9～10 pm/℃的靈敏度提到了1.5倍左右。由此可知，該溫度傳感器具有良好的溫度感知特性，完全可以應用于工程測量。

[1] 張靖輝，譚文秀. 光纖溫度傳感器在溫度測量系統(tǒng)中的應用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015(23)：252.

[2] 黃俊. 光纖光柵壓力傳感器的研制與應用[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[3] 周建華. 光纖光柵傳感器應變傳遞特性研究[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[4] 柳陽. 一種低成本高溫FBG傳感器的研究[D].大連：大連理工大學，2009.

[5] 郭明金，姜德生，袁宏才.兩種封裝的光纖光柵溫度傳感器的低溫特性[J].光學精密工程，2007，15(3)：326-330.

[6] 關(guān)柏鷗，劉志國，開桂云，等.光纖光柵溫度傳感器[J].傳感技術(shù)學報，1999(2)：89-93.

[7] 周祖德，譚躍剛.機械系統(tǒng)的光纖光柵分布動態(tài)監(jiān)測與損傷識別[M].北京：科學出版社，2013：22-24.

Design of the tube packaged FBG large-range temperature sensor and its characteristics

ZHANG Xiang, TAN Yuegang, CHEN Yiyang, LI Tianliang

Aiming at the problem of engineering temperature measurement, we put forward a tube packaging method for fiber Bragg grating temperature sensor, which used high temperature resistant AB glue to paste the bare grating inside the copper tube to enhance the sensitivity. In this study, we introduced the working principle and the sensitivity enhancing model of the FBG temperature sensor, then established the experiment platform, and compared the characteristics of the copper tube packaged FBG temperature sensor and the bare grating. The results showed that, within the temperature range of -40℃ to 120℃, the sensitivity of the copper tube packaged FBG temperature sensor reached up to 25pm/℃, which was consistent with the theoretical value, and superior to the bare grating. Such temperature sensor has good temperature sensing characteristics, and can be applied to the detection of engineering temperature.

fiber Bragg grating，temperature sensor，copper tube

TH811.1

A

1002-6886(2016)06-0009-03

國家國際科技合作專項項目(2015DFA70340)—重型數(shù)控機床光纖傳感在線監(jiān)測與熱誤差補償合作研究。

張翔(1991-)，男，湖北武漢人，漢族，碩士研究生，主要從事光纖光柵傳感技術(shù)的研究。 譚躍剛(1959-)，男，漢族，教授，博士生導師，主要從事機械裝備動態(tài)監(jiān)測技術(shù)與應用，機器人及其控制等方面的研究。

2016-04-28