光纖布喇格光柵的低溫傳感特性研究

李博文，劉穎剛，宋小亞，傅海威，賈振安，高 宏

(西安石油大學(xué) 陜西省油氣資源光纖探測(cè)工程研究中心,陜西省油氣井測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710065)

0 引言

隨著光纖制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，光纖布喇格光柵(FBG)獲得巨大發(fā)展，為FBG在光纖傳感領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了廣闊的空間[1-2]。與傳統(tǒng)傳感器相比，F(xiàn)BG具有體積小，質(zhì)量小，抗電磁干擾及易集成等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、醫(yī)用醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。迄今為止，科研工作者已研制出基于FBG的用于溫度、振動(dòng)、流量、壓力等單點(diǎn)式傳感或分布式傳感的光纖傳感器[6-10]。

在眾多物理量的傳感測(cè)量應(yīng)用中，基于FBG的溫度傳感器得到了研究者的特別關(guān)注，發(fā)展更迅速。因無(wú)涂覆的裸FBG在室溫以上的溫度靈敏度較低(通常在0.009～0.013 nm/℃)和較高的線性響應(yīng)，研究者提出了如入膜片粘貼、溫敏材料物封裝等增敏方法，在保持線性響應(yīng)特性的前提下提高FBG的溫度響應(yīng)靈敏度，拓展FBG的使用范圍[11-12]。但是相關(guān)研究主要集中在室溫以上的溫度環(huán)境中，對(duì)室溫，特別是0以下的FBG的研究相對(duì)較少。

任何材料的特性都會(huì)受環(huán)境溫度影響。而FBG是通過(guò)改變光纖纖芯內(nèi)部的折射率分布形成的特殊光學(xué)效應(yīng)，在25～100 ℃時(shí)，纖芯材料的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)可被看成常量，導(dǎo)致反射波長(zhǎng)隨溫度線性漂移。當(dāng)環(huán)境溫度低于0時(shí)，材料的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)會(huì)發(fā)生變化，線性漂移的特性和靈敏度大小是否會(huì)被改變，這對(duì)研究FBG的封裝增敏技術(shù)非常重要，在實(shí)現(xiàn)高靈敏高線性度FBG的溫度傳感檢測(cè)中具有重要意義。

實(shí)驗(yàn)是將2根未封裝的FBG放入低溫恒溫槽，改變低溫恒溫槽設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，研究了FBG在-60～25 ℃時(shí)的低溫傳感特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)FBG的溫度靈敏度分別為13.1 pm/℃和13.5 pm/℃，線性擬合度分別為0.999 4和0.999 0。在低溫環(huán)境及室溫以上，F(xiàn)BG具有相同的響應(yīng)度和重復(fù)性，這將使FBG在食品冷藏、極端氣溫測(cè)量及化學(xué)試劑儲(chǔ)存等低溫傳感領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。

1 FBG的溫度傳感原理分析

對(duì)于均勻的FBG，當(dāng)輸入光波長(zhǎng)滿(mǎn)足布喇格條件時(shí)，這一特定波長(zhǎng)發(fā)生反射，其余波長(zhǎng)發(fā)生透射。因此，對(duì)特定波長(zhǎng)進(jìn)行反射的特性，其作用相當(dāng)于光纖纖芯內(nèi)部形成一種窄帶濾波器。根據(jù)耦合模型理論[13-14]，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)為

λB=2neffΛ

(1)

式中：λB為FBG反射光的中心波長(zhǎng)；neff為FBG纖芯的有效折射率；Λ為FBG的光柵周期。當(dāng)外界被測(cè)量發(fā)生改變而引起neff和Λ變化時(shí)，都將導(dǎo)致λB發(fā)生改變。同樣，F(xiàn)BG的λB變化也可以反映被測(cè)參量的變化情況。

當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，熱光效應(yīng)的存在會(huì)導(dǎo)致FBG的有效折射率發(fā)生變化。同時(shí)，熱膨脹效應(yīng)也會(huì)使FBG的光柵周期發(fā)生改變。此外，溫度也會(huì)引起光纖內(nèi)部熱應(yīng)力變化，這是彈光效應(yīng)引起的，而彈光效應(yīng)對(duì)FBG的溫度靈敏度影響微弱，通常在分析FBG溫度靈敏度時(shí)忽略其影響。因此，λB受到溫度影響時(shí)，其偏移量為

ΔλB=2(neffΔΛ+ΛΔneff)=λB(α+ξ)ΔT

(2)

式中：α=ΔΛ/(ΛΔT)為熱膨脹系數(shù)；ξ=Δneff/(neffΔT)為熱光系數(shù)；ΔT為溫度變化量。因此，F(xiàn)BG對(duì)溫度的靈敏系數(shù)為

KT=ΔλB/ΔT=λB(α+ξ)

(3)

由式(3)可知，KT主要與其λB、α和ξ有關(guān)，而α、ξ與制作FBG的光纖材料有關(guān)。室溫中，ξ=8.3×10-6/℃，α=0.55×10-6/℃，忽略其隨溫度變化的影響，認(rèn)為λB隨溫度變化是一種線性的關(guān)系，對(duì)應(yīng)的溫度靈敏度可達(dá)13.71 pm/℃[15]。

若要討論FBG漂移與溫度的變化，就需對(duì)光纖材料的ξ和α進(jìn)行深入研究。常用石英光纖的主要材料是二氧化硅(SiO2)，外加極少量的其他材料。因此，對(duì)石英光纖原材料的α和ξ進(jìn)行分析，即可探究出FBG的α、ξ與溫度的關(guān)系。

表1為幾種不同的石英材料的熱膨脹量與溫度(T)的關(guān)系[16]。目前，石英光纖采用的石英材料是Spectrosil 1000，主要對(duì)該材料的熱膨脹性進(jìn)行了分析。

表1 不同的石英材料單位長(zhǎng)度膨脹量與T的關(guān)系

表2為熔融SiO2折射率與T的關(guān)系[17]。熔融SiO2與石英光纖的溫度特性相近，因而可以用來(lái)探討石英光纖的熱光特性。由α和ξ的定義可知，熱膨脹系數(shù)為ΔL/(L×ΔT)，熱光系數(shù)為Δn/(n×ΔT)(Δn/n為折射率相對(duì)變化量)。取n=1.455 9,T=0，繪制了石英材料ΔL/L、Δn/n與T的關(guān)系圖，如圖1、2所示。

表2 熔融SiO2折射率與T的關(guān)系

圖1 石英材料ΔL/L與T的關(guān)系圖

圖2 石英材料Δn/n與T的關(guān)系圖

由圖1可知，在-60 ℃～室溫(25 ℃)時(shí)，ΔL/(L×ΔT)的斜率先增大再減小，即在此溫度范圍的熱膨脹系數(shù)先變大再減小。在-75～10 ℃時(shí)，熱膨脹系數(shù)最大約為5.3×10-9/℃，最小約為1.2×10-9/℃。由圖2可知，在-60 ℃～室溫時(shí)，Δn/(n×ΔT)的斜率隨溫度的升高有微小的升高，基本與溫度呈線性關(guān)系，即熱光系數(shù)約為5.56×10-6/℃。比較熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)可知，ΔT引起Δn/n的變化遠(yuǎn)高于ΔL/L的變化，兩者相差3個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，在-60 ℃～室溫時(shí)，(α+ξ)的極差為4.1×10-9/℃。若以圖2所得的熱光系數(shù)為分母，則(α+ξ)的相對(duì)極差為0.073%。綜上所述，熱光系數(shù)隨T變化的線性效應(yīng)遠(yuǎn)強(qiáng)于熱膨脹系數(shù)隨T變化的非線性效應(yīng)，所以無(wú)法改變(α+ξ)與T之間的線性關(guān)系。

在-60 ℃～室溫時(shí)，由于熱光效應(yīng)占主導(dǎo)因素，熱膨脹效應(yīng)對(duì)光纖的非線性變化只會(huì)略微影響波長(zhǎng)漂移與溫度間的線性關(guān)系。因此，在-60 ℃～室溫時(shí)，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)漂移與溫度間的關(guān)系也是線性的。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

FBG低溫測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由SM125解調(diào)儀、筆記本電腦、超低溫計(jì)量測(cè)定恒溫槽(溫度為-80～100 ℃，分辨率為±0.01 ℃)及2根FBG組成。其中，主要測(cè)試設(shè)備是超低溫恒溫槽，在進(jìn)行低溫實(shí)驗(yàn)時(shí)，超低溫恒溫槽中所加液體為無(wú)水乙醇，可實(shí)現(xiàn)從-80～25 ℃的降溫或升溫過(guò)程。本實(shí)驗(yàn)主要研究-60～25 ℃時(shí)FBG的溫度特性。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

本實(shí)驗(yàn)所采用的FBG1、2均為康寧SMF-28光纖制造，其室溫下中心波長(zhǎng)分別為1 547.790 nm和1 547.775 nm。實(shí)驗(yàn)中，將FBG1、2放入超低溫恒溫槽中，對(duì)超低溫恒溫槽的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，使溫度在實(shí)驗(yàn)所需范圍內(nèi)變化。我們以每5 ℃為步長(zhǎng)，記錄下FBG1、2在不同溫度下的光譜。

當(dāng)溫度變化時(shí)，F(xiàn)BG1、2的光譜變化如圖4所示。由圖可知，F(xiàn)BG1、2在降溫和升溫過(guò)程中均漂移穩(wěn)定，降溫過(guò)程向短波方向漂移，升溫過(guò)程向長(zhǎng)波方向漂移，且相同溫度間隔漂移量無(wú)明顯差異。

圖4 FBG1、2隨T變化的光譜變化圖

圖5為FBG1、2在升、降溫過(guò)程中中心波長(zhǎng)位置的變化。由圖可見(jiàn)，在升、降溫過(guò)程中，2個(gè)FBG均展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，波長(zhǎng)漂移與溫度間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，且2個(gè)FBG的重復(fù)性很好，升、降溫過(guò)程中,同一溫度中心波長(zhǎng)位置的絕對(duì)差值小于0.035 nm。圖6為FBG1、2的線性擬合圖。由圖6可知，降溫過(guò)程中FBG1、2的溫度靈敏度分別為13.1 pm/℃和13.5 pm/℃，其擬合曲線線性度分別高達(dá)0.999 4和0.999 0。本實(shí)驗(yàn)中FBG展現(xiàn)出良好的線性度，這也是對(duì)前文理論推斷可靠性的驗(yàn)證。

圖5 FBG1、2升、降溫過(guò)程中中心波長(zhǎng)的位置圖

圖6 FBG1、2的波長(zhǎng)漂移線性擬合圖

3 結(jié)束語(yǔ)

從FBG的理論和實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，深入探究其在-60～25 ℃時(shí)的低溫傳感特性。通過(guò)深入研究此范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)隨溫度的變化情況，得到此范圍內(nèi)FBG中心波長(zhǎng)漂移與溫度間呈線性關(guān)系，后經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此外，F(xiàn)BG在此范圍內(nèi)響應(yīng)良好，重復(fù)性極佳。因此，此研究將在食品冷藏、極端氣溫測(cè)量及化學(xué)試劑儲(chǔ)存等方面具有重要的意義。