管式光纖光柵溫度傳感器封裝與傳感特性研究*

張蔭民，張學(xué)智，劉 鋒，董明利，祝連慶

（北京信息科技大學(xué) 光電信息與儀器北京市工程研究中心光電測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192）

0 引言

1989年，Morey首次報(bào)道將光纖Bragg光柵（fiber Bragg grating,FBG）用作傳感元件[1]，此后FBG作為一種新型的光纖無(wú)源器件，在傳感領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。FBG具有耐高溫、抗干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、體積小、重量輕、靈活方便、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。但是裸光柵非常脆弱，實(shí)際工程應(yīng)用中需要根據(jù)具體的工作環(huán)境和測(cè)量要求對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)封裝。常見的封裝形式有貼片封裝[5]、管式封裝[6]、盒式封裝[7]等。金屬管式封裝形式具有結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱快、體積小、布設(shè)方便等優(yōu)勢(shì)，雖然該封裝方式早有報(bào)道，但封裝工藝對(duì)應(yīng)變不敏感的FBG傳感器溫敏特性的影響還鮮見報(bào)道[8]。

溫度作為最常見的物理量，F(xiàn)BG用于溫度傳感領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和前景具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)[9-12]。本文分別討論了單端和雙端兩種金屬管式封裝方案，制作了單端探頭式FBG溫度傳感器和雙端管式增敏型FBG溫度傳感器，并對(duì)兩種FBG傳感器的溫度特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，兩者均表現(xiàn)出應(yīng)力應(yīng)變不敏感特性。本研究有助于金屬型管式封裝FBG溫度傳感器的優(yōu)化及性能的進(jìn)一步提高，改善FBG傳感器的溫度傳感特性。

1 FBG的封裝形式

本文設(shè)計(jì)了兩種不同方案對(duì)FBG進(jìn)行封裝，兩種FBG溫度傳感器的封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)于探頭式保護(hù)型封裝，選用外徑5 mm、內(nèi)徑 4 mm、長(zhǎng) 50 mm的毛細(xì)鋼管作為保護(hù)套管，其材質(zhì)為304不銹鋼。為了將光柵固定在不銹鋼套管軸心位置，選用尺寸45 mm×3.5 mm×1 mm的銅片作為支撐件來(lái)固定光柵。FBG、支撐件銅片以及不銹鋼套管使用前均要清潔處理，采用無(wú)水乙醇擦拭，超聲清洗后晾干備用。封裝前將環(huán)氧樹脂AB雙組份膠按比例混合調(diào)勻，靜置10 min至氣泡消失。將FBG的一端用環(huán)氧樹脂膠固定于銅片上，另一端為自由端，再將銅片放入不銹鋼套管中，保證銅片位于不銹鋼套管中心位置，其余部分用導(dǎo)熱硅脂填充，最后兩端再用環(huán)氧樹脂膠密封，封裝而成的探頭式溫度傳感器如圖1(a)所示。該封裝形式既合理地保護(hù)了光纖光柵，又保證了溫度的快速傳遞。封裝后的光柵Bragg中心波長(zhǎng)為1 530.036 nm，與自然狀態(tài)中心波長(zhǎng)一致。因FBG的一端始終為自由端，保證光柵處于自然松弛狀態(tài)，避免了外界應(yīng)力對(duì)其產(chǎn)生影響。

圖1 光纖Bragg光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu)

FBG的保護(hù)型封裝雖然可對(duì)溫度進(jìn)行有效測(cè)量，但由于FBG本身熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)致此類FBG傳感器的溫度靈敏度不高。為了進(jìn)一步提高其溫度靈敏度系數(shù)，采用下述的管式增敏型封裝。選擇外徑3 mm、長(zhǎng)45 mm的實(shí)心鈹青銅柱，并在其表面刻蝕出長(zhǎng)45 mm、寬1.5 mm、深1.5 mm的凹槽，將FBG固定于凹槽中心位置。為防止膠固化不均勻所導(dǎo)致的光柵啁啾現(xiàn)象，用環(huán)氧樹脂封裝FBG時(shí)須對(duì)FBG施加一定預(yù)緊力。將埋有FBG的銅柱放入不銹鋼套管的內(nèi)部，保持其處于不銹鋼套管中心位置，并用導(dǎo)熱硅脂充分填充于銅柱和不銹鋼管間的空隙。最后在不銹鋼管兩端套入硅膠保護(hù)套，并用環(huán)氧樹脂膠將其密封，所得管式增敏型溫度傳感器如圖1(b)所示。所使用光柵的初始Bragg中心波長(zhǎng)為1 548.907 nm，封裝后中心波長(zhǎng)變?yōu)? 548.890 nm，可見封裝時(shí)施加的預(yù)緊力很好地抵消掉了環(huán)氧樹脂膠固化過(guò)程中的內(nèi)部應(yīng)力，將封裝前后Bragg中心波長(zhǎng)的變化盡可能做到最小。將上述兩種封裝好的FBG傳感器放入電熱式鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行熱退火處理，目的在于充分釋放環(huán)氧樹脂膠固化過(guò)程中所形成的內(nèi)部殘余應(yīng)力。

2 傳感原理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 傳感原理

根據(jù)光纖耦合模理論，當(dāng)一束寬帶光入射到FBG上時(shí)，滿足Bragg條件的一部分光束會(huì)被反射回去。該光束的中心波長(zhǎng)稱為光纖 Bragg中心波長(zhǎng)，記為 λB，其基本表達(dá)式為：

其中，neff為纖芯的有效折射率，Λ為FBG的周期。

由此可得，F(xiàn)BG的Bragg中心波長(zhǎng)隨溫度變化的漂移為：

其中，KT=λB(ξ+α)為溫度靈敏度系數(shù)，為光纖的熱光系數(shù)，為光纖的熱膨脹系數(shù)。可見，溫度通過(guò)熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)λB的改變，從而達(dá)到溫度傳感目的。

對(duì)于純石英光纖，α～0.55×10-6/℃，ξ～6.67×10-6/℃。Bragg中心波長(zhǎng)為1 530 nm的光柵的溫度靈敏度系數(shù)KT約為11.05 pm/℃。但是由于光纖制作工藝與光柵寫入工藝以及熱退火工藝的不同，裸光柵對(duì)溫度敏感特性也有所差別。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與標(biāo)定過(guò)程

兩個(gè)FBG溫度傳感器的溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中所用的信號(hào)采集與檢測(cè)設(shè)備為Bayspec公司的光纖光柵解調(diào)儀，其波長(zhǎng)范圍為1 525～1 565 nm，波長(zhǎng)分辨率為1 pm。將上述兩種FBG傳感器放置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9503A）中，該控溫箱的溫度測(cè)量精度為0.1℃。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)由端口1進(jìn)入環(huán)行器，經(jīng)過(guò)端口2入射到兩個(gè)FBG傳感器上，經(jīng)其反射后的光束再次經(jīng)過(guò)端口2，最終從端口3出射后進(jìn)入到解調(diào)模塊中。

圖2 FBG溫度傳感實(shí)驗(yàn)裝置

溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用逐步升溫再逐步降溫的方法，將兩個(gè)光纖光柵敏感元件放置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中。恒溫鼓風(fēng)干燥箱的控溫范圍為40℃～80℃。升溫標(biāo)定實(shí)驗(yàn)以40℃為溫度變化初始點(diǎn)，每5℃為一個(gè)溫度變化單位，待恒溫鼓風(fēng)干燥箱當(dāng)前溫度顯示值足夠穩(wěn)定后，記錄該溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的Bragg中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，直至升溫到80℃。降溫標(biāo)定實(shí)驗(yàn)按照同樣步驟從80℃逐步降溫至40℃。如此反復(fù)進(jìn)行6次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，所封裝FBG沒(méi)有出現(xiàn)封裝裂紋、老化脫落等問(wèn)題。由于篇幅原因，原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列表省略。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

探頭式保護(hù)型封裝的FBG溫度傳感器在40℃～80℃內(nèi)中心波長(zhǎng)隨溫度變化的曲線如圖3所示。圖3(a)為升溫曲線，線性相關(guān)系數(shù)為 0.999 91，其波長(zhǎng)與溫度的線性擬合方程為：

圖3(b)為降溫曲線，線性相關(guān)系數(shù)為0.999 71，其波長(zhǎng)與溫度的線性擬合方程為：

圖3 探頭式保護(hù)型封裝FBG溫度傳感器在40℃～80℃時(shí)中心波長(zhǎng)隨溫度變化的曲線

探頭式保護(hù)型封裝FBG溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)平均值為9.86 pm/℃。盡管其溫度靈敏度系數(shù)與裸光柵一致，但其出色的線性擬合度保證了在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。單端探頭式保護(hù)封裝工藝簡(jiǎn)單，制作快捷，方便大批量生產(chǎn)且易于保證每支傳感器的一致性。

管式增敏封裝的FBG溫度傳感器在40℃～80℃時(shí)中心波長(zhǎng)隨溫度變化的曲線如圖4所示。圖4(a)為升溫曲線，線性相關(guān)系數(shù)為0.999 21，其波長(zhǎng)與溫度的線性擬合方程為：

圖4(b)為降溫曲線，線性相關(guān)系數(shù)為0.999 02，其波長(zhǎng)與溫度的線性擬合方程為：

圖4 溫度增敏型封裝FBG溫度傳感器在40℃～80℃時(shí)中心波長(zhǎng)隨溫度變化的曲線

管式增敏封裝FBG溫度傳感器的溫度靈敏系數(shù)平均值為29.97 pm/℃，達(dá)到裸光柵相應(yīng)值的3倍左右。對(duì)比圖3與圖4可以看出，增敏封裝的線性擬合度有所下降，但仍能滿足高于0.999的要求。提高靈敏度系數(shù)的同時(shí)保證線性擬合度是至關(guān)重要的，經(jīng)分析，改變封裝方式而降低的線性擬合度可能是以下幾個(gè)方面造成的：

(1)鈹青銅柱本身質(zhì)地不均勻，內(nèi)部雜質(zhì)的不均勻分布造成其受熱膨脹體積變化不勻稱；

(2)環(huán)氧樹脂膠填涂不均勻，固化后體積不勻稱造成溫度變化時(shí)光柵各部分受力不勻稱；

(3)膠體本身仍有氣泡或者涂膠過(guò)程中引入氣泡，氣泡本身會(huì)吸收一部分由熱脹冷縮產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，使其不能很好地作用在光纖光柵上。

以上問(wèn)題的存在均會(huì)引起B(yǎng)ragg中心波長(zhǎng)的數(shù)值變化，從而導(dǎo)致FBG傳感器線性擬合度下降。

探頭式保護(hù)型封裝FBG溫度傳感器在每個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)的Bragg中心波長(zhǎng)與該點(diǎn)波長(zhǎng)平均值相差最大為3 pm，表明重復(fù)性良好，如圖5所示。

圖5 探頭式保護(hù)型封裝FBG溫度傳感器重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

管式增敏封裝FBG溫度傳感器在每個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)的Bragg中心波長(zhǎng)與該點(diǎn)波長(zhǎng)平均值相差最大為11 pm，除此以外上述波長(zhǎng)差值均在8 pm之內(nèi)，如圖6所示。這說(shuō)明，隨著FBG傳感器的溫度靈敏度的提升，在同條件下感知溫度波動(dòng)的能力有相應(yīng)提高。

圖6 溫度增敏型封裝FBG溫度傳感器重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)于某種已封裝好的FBG溫度傳感器，其測(cè)溫精度和分辨率取決于所用的解調(diào)設(shè)備。本文中所采用Bayspec解調(diào)儀的分辨率為1 pm，精度為7 pm。因此，探頭式保護(hù)型封裝FBG傳感器的溫度分辨率和精度分別為0.101 42℃和0.709 94℃；管式增敏封裝FBG傳感器的溫度分辨率和精度分別為0.033 37℃和0.233 57℃。

上述兩種FBG溫度傳感器在溫度保持不變情況下，通過(guò)人為施加一定外部應(yīng)力，其Bragg中心波長(zhǎng)并未觀測(cè)到漂移，這表明兩種管式封裝的FBG傳感器在一定范圍內(nèi)均對(duì)應(yīng)力應(yīng)變不敏感。

3 結(jié)論

本文采用保護(hù)封裝和增敏封裝方式，制作了兩款管式FBG溫度傳感器。在40℃～80℃溫度區(qū)間研究了它們的溫度特性，其溫度靈敏系數(shù)分別為9.86 pm/℃和29.97 pm/℃，保護(hù)封裝FBG傳感器的溫度分辨率為0.101 42℃，精度為0.709 94℃；增敏封裝FBG傳感器的溫度分辨率為0.033 37℃，精度為0.233 57℃。兩者的線性擬合度均達(dá)到0.999以上。實(shí)驗(yàn)表明，兩款FBG傳感器重復(fù)性良好，且無(wú)遲滯現(xiàn)象，完全可用于實(shí)際工程中，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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