基于光纖光柵傳感器快速測溫特性的研究

王 瑨 何 昕 王艷鳳 王永杰

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；2.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083）

海水溫度是海洋環(huán)境調(diào)查中一個最基本的物理量，其對海洋生態(tài)、軍事以及漁業(yè)發(fā)展具有重要的研究意義。因海洋環(huán)境的特殊性，獲取這一參數(shù)面臨一系列的問題[1]。若想提高整個測溫系統(tǒng)的精度，就要求所選用的測溫傳感器具有較高的靈敏度和較小的時間常數(shù)[2]。在傳統(tǒng)的海水溫度測量中，熱敏電阻和鉑電阻由于其較高的測試精度和連續(xù)測量的特性得到了工程師和科學(xué)家的一致青睞。但是，鉑電阻的時間常數(shù)是十幾秒[3]，熱敏電阻雖可實(shí)現(xiàn)毫秒級別，但其在測試過程中電流會很大且出現(xiàn)很難控制的現(xiàn)象[4]。比較光纖傳感器和電學(xué)傳感器，前者在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出靈敏度高、體積小、多參數(shù)敏感、抗腐蝕、本征絕緣、光路可彎曲、易復(fù)用和便于遙測等優(yōu)勢[5-6]。同時，已有報道的FBG溫度傳感器的時間常數(shù)可達(dá)到幾秒[7]。先進(jìn)國家的海洋環(huán)境測溫傳感器的時間常數(shù)可達(dá)到60~70 ms, 而我國也有方案可實(shí)現(xiàn)毫秒級別[8-10]，但大部分仍停留在1000 ms左右。文中所介紹的FBG溫度傳感器采用特殊封裝結(jié)構(gòu)，溫度靈敏度可達(dá)27.21 pm/℃,響應(yīng)時間可達(dá)67.5 ms。同時, 因FBG特有的傳感優(yōu)勢，其將在海洋快速測溫領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

1. 光纖布拉格光柵傳感原理

光纖布拉格光柵基于光纖的光敏性原理，制作時通過紫外光照射使纖芯的折射率發(fā)生周期性改變，進(jìn)而在纖芯內(nèi)部形成空間相位光柵。因此，它是一種纖芯折射率沿其軸向周期性分布的光纖，本質(zhì)上可認(rèn)為FBG是一種能夠進(jìn)行波長選擇的窄帶反射器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖Bragg光柵結(jié)構(gòu)

由光纖光柵耦合模理論可知，光纖布拉格光柵將入射基模與反向透射基模耦合，得到光纖光柵波長選擇性反射函數(shù)[11]，基本方程為:

由上式可知，光纖光柵中心波長 取決于柵區(qū)纖芯的有效折射率 和周期。

當(dāng)有光纖光柵滿足上述公式時，光就會被反射，反射光的波長可由光譜儀或解調(diào)儀測得，這樣就能知道FBG中心波長的變化。

1.1 溫度和應(yīng)力傳感原理

當(dāng)外界參量如溫度、應(yīng)力等發(fā)生變化時，光纖光柵的中心波長也會相應(yīng)發(fā)生線性化漂移。通過對中心波長變化的測量，便可達(dá)到對外界溫度、應(yīng)力等環(huán)境參數(shù)的測量，如公式（2）。

裸光纖布拉格光柵的溫度靈敏度系數(shù)為10 pm/℃,應(yīng)變系數(shù)為1.2 pm/μ ε。裸光纖光柵的直徑僅為125μ m,在實(shí)際惡劣的工程應(yīng)用中極易損傷，必須對其進(jìn)行保護(hù)性和增敏性封裝，才能夠保證其表現(xiàn)出更穩(wěn)定更可靠的傳感性能，也才能夠延長其使用壽命。

1.2 溫度和應(yīng)力交叉敏感

光纖布拉格光柵感受作用在其上的溫度和應(yīng)力時,中心波長都會發(fā)生線性漂移，因此,存在溫度和應(yīng)力交叉敏感的問題。當(dāng)布拉格光柵用于實(shí)際環(huán)境測量時，必須采取措施進(jìn)行補(bǔ)償或者區(qū)分，這就嚴(yán)重限制了Bragg光柵的廣泛使用，在很多研究報告中也給出了相應(yīng)的解決方案。

本研究采用一種特殊的封裝結(jié)構(gòu)，可較好地解決應(yīng)力對溫度測量的影響，因此，僅需考慮溫度單獨(dú)作用時中心波長的變化。文中采用填充特殊材料和特殊結(jié)構(gòu)對FBG進(jìn)行增敏封裝，通過這一材料較大的熱膨脹作用，進(jìn)而提高光纖布拉格光柵的溫度靈敏度。此時，傳感器的溫度和波長之間的關(guān)系滿足公式(3)[11]。

其中, 為封袋基底的熱膨脹系數(shù), 為傳感器的溫度。

2. 傳感器設(shè)計(jì)與分析

2.1 傳感器封裝結(jié)構(gòu)

裸露的光纖光柵十分脆弱，而且靈敏度很低，必須輔助以一定的封裝結(jié)構(gòu)才能投入生產(chǎn)和應(yīng)用。常用的封裝形式主要有片封裝、管封裝和盒封裝三類，金屬管封裝方式因其具有結(jié)構(gòu)小巧、導(dǎo)熱快、布設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞[12-15]?？紤]到海洋環(huán)境應(yīng)用需要密封和小型化處理，本方案選擇金屬管封裝方式。首先，將光纖光柵在加持預(yù)應(yīng)力的情況下固定于金屬管，并將光纖兩端與金屬管接觸位置處留置余量以緩沖壓力。然后，采用特殊方法將管內(nèi)注滿高導(dǎo)熱填充物，具體結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖2所示。

圖2 FBG封裝簡圖和實(shí)物照片

當(dāng)外界溫度改變時，溫度變化能夠同時傳遞到光纖光柵和金屬管上。由前面分析可知，溫度變化會引起光纖光柵中心波長的偏移。由于金屬管熱膨脹系數(shù)大于石英光纖，在熱脹冷縮效應(yīng)的影響下，金屬管在膨脹或收縮的過程中固定于其上的光纖光柵也會在外界應(yīng)力的作用下拉伸或收縮，導(dǎo)致其中心波長發(fā)生偏移。在此結(jié)構(gòu)下，光纖光柵和金屬管受溫度變化影響應(yīng)力的傳遞作用導(dǎo)致的中心波長偏移方向是一致的，從而達(dá)到增敏的效果。而外層金屬管的另一個作用是隔絕外界應(yīng)變和壓力的影響，使得外界壓力和應(yīng)力作用不到光纖光柵上，從而達(dá)到單一溫度測量的目的。

在此方案中，經(jīng)過特殊處理，金屬管、光纖和填充物渾然一體。因所選用的金屬管熱膨脹系數(shù)較大，若其受熱膨脹，F(xiàn)BG必然會受到一定的拉應(yīng)力，這必將引起中心波長發(fā)生偏移，進(jìn)而達(dá)到提高溫度靈敏度的目的。為了防止聚合物長時間使用而出現(xiàn)老化，在此采用一種特殊的高導(dǎo)熱材料進(jìn)行填充，而且也起到了良好的增敏作用。

從另一方面考慮，這一金屬層即一種傳熱介質(zhì)，則其不但能夠耐壓，而且也必須具有較快的傳熱速率。因此，這一金屬管封裝結(jié)構(gòu)的存在給FBG在海洋環(huán)境中的應(yīng)用帶來了兩個互相牽制的難題：強(qiáng)度和傳熱速率。較高的抗壓強(qiáng)度就需要使用管壁較厚的金屬材料，這在一定程度上降低了傳熱速率；但較快的傳熱速率勢必需要采用管壁較薄的金屬材料，這又將會在一定程度上影響封裝強(qiáng)度。在此，選擇特殊材料和特殊封裝結(jié)構(gòu)，使FBG溫度傳感器不僅具有較高的封裝強(qiáng)度，還具有毫秒級別的時間常數(shù)。因此，在材料選取時開展了大量工作。

考慮FBG對于溫度和應(yīng)力同時敏感，封裝時將金屬管兩端的光纖置于松弛狀態(tài)，這一特殊的設(shè)計(jì)使得其對于外界應(yīng)力的變化具有一定的緩沖作用[7,16]，因此，光纖光柵受到外界應(yīng)力的影響很小。在本研究中，我們不僅有效地防止了光纖光柵啁啾，而且消除了壓力的影響，提高了溫度靈敏度和響應(yīng)速度。

2.2 傳感器溫度靈敏度計(jì)算分析

經(jīng)過此種封裝設(shè)計(jì)后，F(xiàn)BG的熱光系數(shù)并未發(fā)生改變，但熱膨脹系數(shù)卻表現(xiàn)出比較明顯的不同。此種封裝結(jié)構(gòu)的FBG的溫度靈敏度滿足公式(4), 其中各參數(shù)取值見表1, 其溫度靈敏度的計(jì)算值為27.21 pm/℃。

表1 溫度靈敏度有關(guān)參數(shù)

3. 試驗(yàn)測試

3.1 溫度靈敏度測試

圖3 FBG溫度靈敏度測試裝置

使用恒溫水浴槽進(jìn)行溫度靈敏度測試試驗(yàn)，如圖3所示。該測試依據(jù)GB/T23246—2009進(jìn)行，其中參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器選用SBE56(Sea Bird Electronics,SBE)。波長—溫度曲線如圖4所示，經(jīng)過一次線性擬合，其線性度為0.9999，溫度靈敏度為32.1 pm/℃，接近上述理論值。

圖4 FBG波長—溫度測試曲線

3.2 響應(yīng)時間測試

測試試驗(yàn)裝置如圖5所示。將FBG迅速從冷水放入熱水中，同時，高速解調(diào)儀實(shí)時監(jiān)測其溫度變化趨勢，重復(fù)多次試驗(yàn)，完成測試軟件截屏，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如圖6所示。查詢相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)可知，此類傳感器的響應(yīng)時間即為其經(jīng)歷溫度快速變化之后達(dá)到穩(wěn)定溫度所需時間的63.2%[8]。篩選大量測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，采用這一結(jié)構(gòu)的FBG的響應(yīng)時間可達(dá)67.5 ms。

圖6 FBG響應(yīng)時間測試曲線

4. 結(jié)論

文中介紹了光纖布拉格光柵傳感器的傳感原理和封裝技術(shù)，描述了關(guān)于靈敏度和響應(yīng)時間的計(jì)算及測試。此種光纖光柵溫度傳感器的快速測溫特性優(yōu)于傳統(tǒng)電學(xué)傳感器和一般FBG傳感器，并且具有較高的溫度靈敏度。通過有效的封裝技術(shù)，解決了FBG溫度和壓力的交叉靈敏度問題，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度，縮短響應(yīng)時間，以保證能夠有效、準(zhǔn)確、及時地獲取海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，這將為海洋剖面快速測溫傳感器的研制和發(fā)展提供一種新的思路。