金屬微細(xì)管封裝光纖Bragg光柵溫度傳感器的特性研究

曹芳　趙繼勇

【摘要】 設(shè)計并實現(xiàn)了一種金屬微細(xì)管封裝的光纖Bragg光柵溫度傳感器，并通過光矢量分析儀、恒溫箱以及拉伸試驗機(jī)對該溫度傳感器的光學(xué)、溫度以及抗拉性能進(jìn)行了測量。實驗結(jié)果表明：在-20℃～150℃的溫度范圍內(nèi)，其溫度靈敏度系數(shù)為10.42pm/℃（±0.01 pm/℃）、重復(fù)度為±1℃、精度為±0.2℃、線性度優(yōu)于0.9991；可承受拉力大于100N。該封裝工藝結(jié)構(gòu)簡單，實用性強(qiáng)，滿足電力工程環(huán)境下的溫度測量與監(jiān)控要求。

【關(guān)鍵詞】 光纖光柵 溫度傳感 封裝工藝 金屬微細(xì)管

一、引言

隨著社會用電量的大幅增加，在發(fā)電廠、變電站以及城市配電網(wǎng)中，變壓器、高壓開關(guān)柜、刀閘、互感器等高壓電氣設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛。但由于電網(wǎng)負(fù)荷增大時，連接部位會發(fā)熱膨脹、升溫氧化以及接觸電阻增大，會進(jìn)一步導(dǎo)致升溫，引起斷路、短路，甚至火災(zāi)，因此高壓電氣設(shè)備以及相互之間的連接部位是整個電網(wǎng)中最為薄弱的環(huán)節(jié)[1-2]。

光纖光柵傳感器具有尺寸小、重量輕、靈敏度高、線性度好、抗電磁干擾、耐腐蝕、無電火花等優(yōu)點，可以在易燃易爆、電磁等復(fù)雜環(huán)境中服役，且對波長絕對編碼、集傳感和傳輸于一體。同時，傳感器在特定的溫度變化范圍內(nèi)可重復(fù)使用，極大的降低了系統(tǒng)成本和維護(hù)費用。

二、原理與工藝

2.1 測量原理

光纖光柵是利用光纖的光敏特性，采用紫外曝光的方法，在光纖纖芯上形成折射率沿軸向周期性分布的光無源器件，外界溫度改變會引起光纖光柵 Bragg波長漂移。不考慮外界因素的影響時，彈光效應(yīng)以及波導(dǎo)效應(yīng)不對光纖光柵的波長漂移造成顯著影響，若不考慮溫度對熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)的影響，則光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)為一常量，光纖光柵Bragg波長的漂移量與溫度的改變成正比[3]。實時測量時，利用光檢測儀器測量光纖光柵的反射或透射譜的波長變化，便可精確獲知光纖光柵所處位置的溫度。

2.2 封裝工藝

光纖光柵為自行制備，光纖選擇普通G.652光纖，為提高光纖的光敏性，先將其置于13MPa的氫艙中載氫3個月；采用相位掩膜法，使用1070 nm的相位模板和244nm的紫外光在光纖上刻制光柵；光纖光柵的柵長為11mm，采用高斯切趾以抑制旁瓣；完成刻制的光纖光柵須放入120℃的恒溫油槽進(jìn)行24小時的退火，以提高其性能穩(wěn)定性。

由于光纖光柵外徑極細(xì)、質(zhì)脆，且抗剪能力差，為滿足電力工程環(huán)境應(yīng)用的要求，在選擇光纖光柵溫度傳感器的封裝工藝時，需兼顧溫度傳感器的重復(fù)性和線性度、機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及隔離應(yīng)力對波長的影響等因素[4]。本實驗中，溫度傳感器采用金屬微細(xì)管封裝結(jié)構(gòu)，其原理是將光纖光柵本體懸空固定于金屬微細(xì)管中，以隔離外界應(yīng)力對波長的影響；使用環(huán)氧樹脂以管內(nèi)注膠的方式將某型玻璃纖維編織物（防磨、防酸、防曬、防霉、阻燃、耐高溫、抗老化）與引出光纖、金屬微細(xì)管互相粘連固定，玻璃纖維編織物起到松套管的作用，以提高光纖光柵溫度傳感器在金屬微細(xì)管喇叭口附近的抗剪能力和引出光纖的生存能力。

同時配以專門設(shè)計的“手槍”形固定裝置，即可將溫度傳感器安裝于電力工程中斷路器手車的梅花觸頭上，該溫度傳感器在斷路器手車梅花觸頭上的具體應(yīng)用如圖1所示。

三、實驗及分析

本實驗共封裝了八根傳感器，其中U1～U4四根傳感器用于光學(xué)、溫度性能測試，U5～U8四根傳感器用于抗拉性能測試。

3.1 光學(xué)性能測試

采用LUNA OVA（光矢量分析儀）對U1～U4四根光纖光柵進(jìn)行光學(xué)性能測試。光學(xué)性能測試結(jié)果表明：四根傳感器反射率均大于75%，半高全寬（FWHM）為0.25nm（±0.05nm，高斯切趾），邊模抑制比（SMSR）均大于15dB，U1～U4的反射譜如圖2所示。

3.2 溫度性能測試

利用恒溫箱，采用水浴法對U1～U4四根傳感器進(jìn)行溫度性能測試，測試曲線如圖3所示。

溫度性能測試結(jié)果表明：四根傳感器在-20℃～150℃的測試范圍內(nèi)有良好的溫度特性，溫度靈敏度系數(shù)為10.42 pm/℃（±0.01 pm/℃）、溫度重復(fù)度為±1℃、溫度精度為±0.2℃、線性度均高于0.9991。

3.3 抗拉性能測試

采用拉伸試驗機(jī)對U5～U8四根傳感器進(jìn)行抗拉性能測試，四根傳感器均采用管內(nèi)注膠方式，測得其最大承受拉力分別為110N、112N、100N、104N，具備良好的抗拉性能。

綜上分析，本實驗設(shè)計并實現(xiàn)的光纖Bragg光柵溫度傳感器的光學(xué)、溫度以及抗拉性能均已滿足電力工程環(huán)境中的應(yīng)用要求。

四、結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種金屬微細(xì)管封裝的光纖Bragg光柵溫度傳感器并測試、分析了其傳感性能。

實驗結(jié)果表明，該溫度傳感器具備良好的光學(xué)、溫度以及抗拉性能，滿足電力工程環(huán)境下的溫度測量與監(jiān)控要求，并且已實際應(yīng)用于電力工程中斷路器手車的梅花觸頭上。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] June-Ho Lee， Soo-Gil Kim， et al. Investigation of fiber Bragg grating temperature sensor for applications in electric power systems[C]. Properties and applications of Dielectric Materials， 2006：431-434.

[2] 萬賢杰. 基于可調(diào)諧光源的光纖光柵溫度監(jiān)測系統(tǒng)在電網(wǎng)上的應(yīng)用[D]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006. 05：1-2

[3] 賈振安，喬學(xué)光，傅海威，等.光纖光柵溫度增敏技術(shù)[J]. 西北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003，33（4）：413-415

[4] ZhouZ， ZhaoXF， WuZJ， et al. Study on FBG sensors steel capillary encapsulating technique and sensing properties[J].Chinese Journal of Lasers， 2002， 29（12） ：1090-1092.