新型封裝的光纖光柵溫度傳感器的研究

徐元哲，馬淑婧，張 穎，劉雪冬，陳紅振

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林132012;2.吉林供電公司，吉林吉林132012)

光纖布拉格光柵(FBG)是最近幾年發(fā)展最為迅速的光纖無源器件之一，因具有體積小、重量輕、耐腐蝕、抗干擾性強(qiáng)、壽命長、可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的分布式測量等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景［1，2］。光纖光柵可用于溫度的測量，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，但是裸光纖對溫度的靈敏性較差，中心波長為1 550 nm的光纖布拉格光柵，在室溫條件下，其靈敏度是8.2 pm/℃ -12 pm/℃，溫度靈敏度系數(shù)KT為6.72×10-6/℃［3］，因此為了增加其靈敏度，人們對此進(jìn)行了各種設(shè)計(jì)，將光纖光柵粘貼于不同的基底材料和結(jié)構(gòu)上構(gòu)成了各種新型的溫度傳感器。

1 FBG封裝技術(shù)

目前，F(xiàn)BG封裝最常用的方法有兩種:①FBG直接粘貼在基底材料上，典型的為貼片封裝［4］，該方法是采用耐高溫有機(jī)膠將FBG封裝于鈹青銅基底材料上，基底材料的線膨脹系數(shù)比FBG的大，以提高其溫度靈敏度。②利用模具或管材灌封，典型的為毛細(xì)鋼管封裝［5］，該方法是將毛細(xì)鋼管套在FBG上，中間灌封改性丙烯酸酯，然后放入烘箱進(jìn)一步烘干、固化。此方法的優(yōu)點(diǎn)是在不改變FBG應(yīng)變靈敏度系數(shù)的同時(shí)，提高其溫度靈敏度系數(shù);缺點(diǎn)是由于毛細(xì)鋼管的直徑太小，不利于改性丙烯酸酯的封灌。而第一種封裝方法的缺點(diǎn)是會造成FBG的線膨脹不均勻，因此這兩種封裝方法都不是很理想。為了彌補(bǔ)上述方法的不足，我們在封裝結(jié)構(gòu)、封裝材料以及封裝粘結(jié)劑方面加以改進(jìn)，以期獲得更為理想的封裝效果［6，7］。

本文采用一種新型的封裝技術(shù)。首先，把非金屬的聚酰亞胺基底材料做成凹槽形狀，其次，用抽完真空的聚酰亞胺粘合劑將光纖光柵封裝在凹槽基底上，該方法保證了傳感器在受到外界溫度變化的影響時(shí)粘合劑和基底材料可以保持同種程度的膨脹，大大減少了FBG的線膨脹不均勻，確保了傳感器可靠性和穩(wěn)定性。最后，再用玻璃套管套在傳感器外面，AB膠封住兩端，這樣做既保證了傳感器的安全性，也減少了應(yīng)力和溫度的交叉敏感的問題。

2 FBG傳感器的基本原理

由模耦合理論可知，光纖光柵的中心反射波長可以表示為

式中，Λ為光柵的周期，neff為光柵區(qū)的有效折射率。Λ和neff均受外界環(huán)境影響(溫度、壓力等)而發(fā)生變化，因而導(dǎo)致光纖光柵的反射波長的移動。溫度變化引起的光纖光柵反射波長移動可表示為

從式(2)可以看出Δλs與ΔT之間呈線性關(guān)系，通過測量光纖光柵反射波長的移動Δλg，便可以確定環(huán)境溫度T。

由于光纖光柵的溫度系數(shù)很小，單獨(dú)用它做敏感元件其靈敏度不高，為了提高溫度靈敏度，可將光纖光柵粘貼于熱膨脹系數(shù)較大的基底材料上。若基底材料的熱膨脹系數(shù)為αsub，并滿足αsub?α，則粘貼后光纖光柵反射波長隨溫度的變化關(guān)系有下式給出:

式中pe為光纖的彈光系數(shù)，一般的石英光纖pe≈0.22。為了簡單起見，令

則上式化簡為

式中，KT為溫度靈敏度系數(shù)，一般情況下裸光纖的KT=6.72×10-6/℃，則溫度靈敏度系數(shù)是一個(gè)僅與基底材料熱膨脹特性有關(guān)的常數(shù)［8］。本文采用的基底材料熱膨脹系數(shù)為20-30×10-6/℃，KT理論計(jì)算得30.1×10-6/℃。

3 實(shí) 驗(yàn)

本文所選用的聚酰亞胺材料熱膨脹系數(shù)較大，α=20-30×10-6/℃，熱穩(wěn)定性高。封裝后，光纖光布拉格波長漂移了0.377 nm。實(shí)驗(yàn)表明，在封裝過程中，對光纖光柵是施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，可使因封裝產(chǎn)生的波長漂移減小。光纖光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。用聚酰亞胺膠，將光纖光柵粘貼在凹槽式的聚酰亞胺板材的基底上，結(jié)構(gòu)尺寸45 mm×3 mm×3 mm。然后外面再用玻璃套管套住，一方面是增加了傳感器的可靠性，另一方面也減少了應(yīng)變和溫度交叉敏感的問題。最后玻璃套管兩頭用AB膠封住。為了增加粘貼強(qiáng)度，先將聚酰亞胺膠放在真空箱里面抽去空氣，在用砂紙打磨基底板材的表面，粘貼前用化學(xué)試劑進(jìn)行表面處理。為了進(jìn)行對比分析，我們還用陶瓷基底對光纖光柵進(jìn)行了封裝。

圖1 光纖光柵溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為光纖光柵溫度傳感試驗(yàn)原理圖。采用ASE光源，光纖光柵敏感元件置于溫控箱中，其布拉格波長漂移用日本YOKOGAWA公司生產(chǎn)的AQ6317C測量，波長分辨率為0.015 nm以上，波長精確度為±0.02 nm;3 dB耦合器一端將LED發(fā)出的光耦合進(jìn)入光纖光柵，另一端將光纖光柵反射回來的光耦合進(jìn)光譜儀用來檢測。采用上海齊欣科學(xué)儀器公司生產(chǎn)的真空溫控箱，工作電壓220 V，真空度≤133 Pa，波動度為±0.1℃。通過改變溫控箱的溫度，來觀察光纖光柵的布拉格波長的變化，從而得到波長變化和溫度之間的關(guān)系。同時(shí)還測量了陶瓷基底的光纖光柵傳感器溫度響應(yīng)曲線，并與新型光纖光柵傳感器的溫度響應(yīng)進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn)中，控制恒溫箱的溫度，使箱內(nèi)的溫度由40℃逐漸上升，溫度每上升10℃，利用光譜分析儀對光柵反射譜進(jìn)行測量，溫度變化范圍從40～120℃。經(jīng)過多次測試，封裝元件沒有出現(xiàn)開裂、封裝裂紋、空洞離裂等缺陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該材料具有良好的溫度穩(wěn)定性及重復(fù)性，與光纖的相容性較好。

在40～120℃溫度范圍內(nèi)，測得陶瓷封裝的光纖光柵、聚酰亞胺封裝光纖光柵溫度的傳感器的溫度響應(yīng)曲線如圖3所示。由圖3可知，在40～120℃的溫度范圍內(nèi)，陶瓷封裝光纖光柵的布拉格波長變化了0.88 nm，聚酰亞胺封裝的光纖光柵布拉格波長變化了1.685 nm。由數(shù)據(jù)擬合得到聚酰亞胺封裝的光纖光柵溫度靈敏度為，陶瓷封裝的傳感器溫度靈敏度，與理論分析結(jié)構(gòu)基本相同。

圖2 光纖光柵溫度傳感試驗(yàn)原理圖

4 討 論

聚酰亞胺的絕緣性非常好，耐高溫，由它制成的薄膜、涂料、膠粘劑常被用于電力系統(tǒng)設(shè)備中。采用聚酰亞胺封裝材料，將光線光柵封裝于聚酰亞胺基底材料上，是一種新的嘗試，不僅保證了傳感器可靠的性能，而且傳感器的靈敏度也比較高，其溫度靈敏度達(dá)到29.89×10-6/℃，陶瓷封裝傳感器溫度靈敏度為10.6×10-6/℃，新型傳感器的靈敏度是陶瓷的近3倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論值稍有不同，是因?yàn)樵谡麄€(gè)封裝過程中不是在完全真空的條件下進(jìn)行的，會帶入少量的空氣，另外溫控箱溫度值不能保證精確反應(yīng)箱內(nèi)溫度，所以結(jié)果會稍有偏差。

為了提高傳感器的溫度靈敏度，可以適當(dāng)擴(kuò)大光纖光柵傳感器的封裝基底尺寸，然而光纖光柵溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間取決于封裝基底材料的熱容量，基底結(jié)構(gòu)尺寸越大，傳感器的響應(yīng)時(shí)間越長，為了得到較快的響應(yīng)速度，應(yīng)適當(dāng)減小基底的尺寸［9］。因此在傳感器的制作過程當(dāng)中需要針對應(yīng)用要求來決定封裝結(jié)構(gòu)尺寸的大小，本實(shí)驗(yàn)的傳感器是用于檢測發(fā)電機(jī)定子線槽的溫度，所以尺寸大小選擇為50 mm×5 mm×5 mm(包括外套尺寸)。

在制作傳感器的過程中，一定要注意光纖光柵、基底材料、粘貼劑三者之間的緊密接觸，否則可能出現(xiàn)以下情況:當(dāng)溫度較高時(shí)，光纖光柵脫離基底材料;光纖光柵只有部分固定在基底上，當(dāng)溫度變化時(shí)會導(dǎo)致布拉格波長漂移量減小;光纖光柵粘貼時(shí)與基底間有間隙，則溫度靈敏度會減低，幾乎接近于裸光纖光柵。

圖3 FBG傳感器溫度響應(yīng)曲線

5 結(jié) 論

光纖光柵本身溫敏性很差，滿足不了測量應(yīng)用的要求，而且也比較脆弱，容易折斷。為了改善其特性，我們采用一種新型的封裝方式，粘合劑和基底材料采用同種材料，該材料屬于非金屬，沒有電磁干擾的影響，非常適合用在電力系統(tǒng)中檢測溫度。另外，聚酰亞胺的耐高溫、抗絕緣等性能也大大提高了傳感器的靈敏度和可靠性。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們看出，聚酰亞胺封裝的光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)為29.89×10-6/℃，能較好的滿足我們實(shí)際應(yīng)用的要求。

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