預(yù)緊封裝光纖光柵溫度傳感器傳感特性研究

閆 光， 辛璟濤， 陳 昊， 駱 飛， 祝連慶

(1.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 北京，100192) (2.北京信息科技大學(xué)光電測試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京，100192) (3.北京信息科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)及儀器北京實(shí)驗(yàn)室 北京,100192)

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預(yù)緊封裝光纖光柵溫度傳感器傳感特性研究

閆 光1，2，3， 辛璟濤1，2，3， 陳 昊1，2，3， 駱 飛1，2，3， 祝連慶1，2，3

(1.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 北京，100192) (2.北京信息科技大學(xué)光電測試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京，100192) (3.北京信息科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)及儀器北京實(shí)驗(yàn)室 北京,100192)

為了獲得穩(wěn)定測量溫度變化的光纖光柵溫度傳感器，筆者研究帶預(yù)緊力的光纖光柵溫度傳感器的封裝技術(shù)及其傳感特性。通過溫度傳感理論分析，在避免光纖光柵對溫度和應(yīng)變的交叉敏感情況下，對光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行有限元Ansys應(yīng)力分布進(jìn)行模擬，可知本封裝具有一定的減敏作用，溫度測量量程增大，滿足更多實(shí)際工程中的使用。環(huán)氧樹脂DP420將帶有預(yù)緊力光纖光柵封裝在鈹青銅材料的圓柱體內(nèi)，在恒溫鼓風(fēng)干燥箱對光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行傳感特性研究，40～120 ℃的范圍內(nèi)，每次升溫5 ℃。所得結(jié)果，此光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)為23.81 pm/℃，是裸光纖光柵傳感器的2倍，且線性度達(dá)0.999以上。 該文對光纖光柵工程化具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

預(yù)緊力； 光纖光柵溫度傳感器； 有限元； 線性度

引 言

光纖光柵(fibber Bragg gratting, 簡稱FBG)是20世紀(jì)90年代國際上興起的一種在光纖通信、光纖傳感等光電子領(lǐng)域的基礎(chǔ)性光纖器件[1-2]。1989年，Morey[3]提出將光纖光柵用于傳感元件，使得光纖光柵在光纖傳感領(lǐng)域備受關(guān)注。光纖光柵溫度傳感器以其抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油管道等領(lǐng)域[4-7]。光纖光柵傳感器具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在工程中被廣泛應(yīng)用。但裸光纖光柵細(xì)小質(zhì)脆容易損傷，使用中必須對其進(jìn)行有效保護(hù)，因此有必要對光纖光柵傳感器進(jìn)行封裝，這樣既保護(hù)光柵，又可以實(shí)現(xiàn)其他功能[8]。國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者對光纖光柵溫度傳感器也進(jìn)行了許多研究工作。徐元哲等[9]使用特殊的工藝將光纖光柵封裝在涂覆有聚酰亞胺膠的凹槽基底材料上，基底材料也采用聚酰亞胺材料，該方法提高了傳感器的靈敏度和可靠性。劉春桐等[10]針對表面粘貼式光纖光柵(FBG)傳感器存在的封裝體積過大、粘接不便的問題,提出一種光纖光柵的鋁合金箔片封裝工藝, 溫度靈敏度比裸封裝提高了3.02倍,達(dá)到29 pm/℃。郭明金等[12]設(shè)計(jì)了兩種光纖光柵溫度傳感器封裝，并對它們的低溫特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，溫度靈敏度系數(shù)分別為28.2和21.3 pm/℃。張燕君等[13]研制了一種分布式光纖光柵電纜溫度傳感器，在20～100 ℃范圍內(nèi)線性度良好，達(dá)99.8%。馬曉川等[14]對高靈敏度穩(wěn)定光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行了研究，測得其靈敏度系數(shù)達(dá)345.9 pm/℃。張蔭民[15]等對管式封裝的光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行了研究，增敏性封裝溫度靈敏度系數(shù)達(dá)29.97 pm/℃。Torres[16]用三維有限元數(shù)學(xué)模型分析傳感器封裝與試驗(yàn)件粘貼后傳感器的精度。Bernasconi等[17-18]用有限元分析法分析了試驗(yàn)件上被選點(diǎn)的應(yīng)力分布情況。

光纖光柵作為光纖無源器件，對物理量的探測主要由光柵周期的變化和有效折射率的變化引起，帶有預(yù)緊力的封裝形式對物理量有效的測量具有重要意義。針對光纖光柵溫度傳感器的預(yù)緊封裝技術(shù)及傳感特性問題，筆者制作了帶有預(yù)緊力的光纖光柵溫度傳感器，采用Ansys建模和實(shí)驗(yàn)分析對其傳感特性進(jìn)行研究。研究內(nèi)容有助于光纖光柵應(yīng)變傳感器的優(yōu)化和性能的進(jìn)一步提升，以改善光纖光柵溫度傳感性能。

1 溫度傳感理論分析

外界溫度變化會(huì)引起光纖光柵中心波長的漂移，主要是由于溫度變化使得光纖發(fā)生熱膨脹效應(yīng)、熱光效應(yīng)以及光纖內(nèi)部熱應(yīng)力引起的彈光效應(yīng)。根據(jù)以下公式[19]

(1)

由式(1)可見,光纖光柵的反射波長主要取決于光柵周期Λ和有效折射率neff，當(dāng)外部溫度改變時(shí)，可得

(2)

將其展開變形可得

(3)

可將式(3)改寫為

(4)

根據(jù)各向同性胡可定律一般形式可知，光纖光柵各方向應(yīng)變?yōu)?/p>

(5)

可知由溫度引起的應(yīng)變狀態(tài)為

(6)

得到光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)表達(dá)式為

(7)

其中：kwg=?neff/?α，為波導(dǎo)效應(yīng)引起的布拉格波長漂移系數(shù)。

根據(jù)分析可知，光纖光柵的溫度靈敏系數(shù)是一個(gè)與光纖本身材料相關(guān)的定值，因此光纖光柵在作為溫度傳感器件使用時(shí)會(huì)有較好的線性度輸出。綜上所述，在不考慮外界環(huán)境的影響下，由普通石英光纖刻寫而成的光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)取決于光纖材料的折射率，彈光效應(yīng)和波導(dǎo)效應(yīng)，將不會(huì)對溫度測試下的光纖光柵中心波長產(chǎn)生影響。

2 有限元分析與傳感器封裝

考慮到鈹青銅對溫度傳感性能要高于鋁合金的特點(diǎn)，故選用鈹青銅作為溫度傳感器封裝材料，光纖光柵溫度傳感器封裝形式如圖1所示。封裝銅管全長為50 mm，截面半徑R=2 mm在管中開1 mm寬和1 mm深的深槽，用于封裝光纖光柵。

圖1 光纖光柵溫度傳感器封裝設(shè)計(jì)圖Fig.1 Packaging design of optical fiber grating temperature sensor

由溫度傳感模型的分析可知，光纖光柵對溫度的敏感是根據(jù)被測件熱脹冷縮產(chǎn)生微形變，導(dǎo)致光纖光柵周期和有效折射率變化，最終導(dǎo)致光纖光柵中心波長發(fā)生漂移，所以在對光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行Ansys有限元模擬分析時(shí)，施加約束及邊界條件均為固定約束和拉伸應(yīng)力。根據(jù)圖1所設(shè)計(jì)的光纖光柵應(yīng)變傳感器封裝形式，利用Ansys軟件，選取solid實(shí)體單元模型，根據(jù)基片材質(zhì)鈹青銅及實(shí)際尺寸進(jìn)行建模。由于要避免光纖光柵對溫度和應(yīng)變的交叉敏感，故不對光纖光柵溫度傳感器施加三向約束，只對左右兩側(cè)施加等量的拉伸應(yīng)力。實(shí)際工程應(yīng)用中，光纖光柵溫度傳感器置于測試點(diǎn)，并不對其本身與被測件之間加以固定，Ansys有限元模型基本符合實(shí)際工程，故方案基本可行。

光纖光柵溫度傳感器封裝結(jié)構(gòu)Ansys模擬分析出的失穩(wěn)波如圖2所示。從Ansys應(yīng)變分布圖來看，光纖光柵溫度傳感器封裝結(jié)構(gòu)，在拉伸應(yīng)力下產(chǎn)生的變形是：應(yīng)變呈階梯狀由底端向頂端逐漸遞減的。中央的填充膠層并未在較大程度上改變封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，封裝整體受力分布均勻。光纖光柵所處部位應(yīng)為圓柱中心軸附近，由Ansys分析的應(yīng)變圖可知，此處所感受應(yīng)變?yōu)榈讓幼畲髴?yīng)變處的一半，以此保證了光纖光柵在封裝之后對溫度依舊有良好的傳感性能，并且從某種角度來說此封裝具有一定的減敏作用，使得封裝成型后的光纖光柵溫度傳感器的收到應(yīng)力變化的影響減小，以提高實(shí)際工程使用中溫度測量的精度。

圖2 光纖光柵溫度傳感器Ansys模擬應(yīng)力分布圖Fig.2 The stress distribution about simulating fiber Bragg grating temperature sensor through Ansys

2.1 溫度傳感器封裝

由于鈹青銅材料對于溫度敏感度要高于鋁合金7075-T6，所以選擇鈹青銅材料為光纖光柵溫度傳感器封裝材料。將鈹青銅材料加工成如圖1所示柱狀結(jié)構(gòu)，選取裸光纖光柵，兩端用調(diào)整架固定并施加一定的預(yù)緊力，將柵區(qū)置于封裝結(jié)構(gòu)深槽中央，待中心波長值穩(wěn)定后，使用環(huán)氧樹脂DP420對光纖光柵進(jìn)行封裝，并固化24 h。完成固化后，已封裝好的溫度傳感器中心波長λ=1 544.940 nm。光纖光柵溫度傳感器封裝完成后如圖3所示。

圖3 光纖光柵溫度傳感器Fig.3 FBG temperature sensor

2.2 光纖光柵溫度傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及分析

固化完成的光纖光柵溫度傳感器需要進(jìn)行溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。光纖光柵溫度傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 光纖光柵溫度傳感器標(biāo)定示意圖Fig.4 Optical fiber grating temperature sensor calibration

實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為DHG-9503A的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。其溫度測量精度為±0.1 ℃。光源使用自制ASE寬帶光源，帶寬范圍為1 525～1 600 nm，平坦度<2 dB，輸出功率為13 dBm。反射波長使用自制光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行監(jiān)測。波長范圍為1 525～1 568 nm,波長分辨率為1 pm。

寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過1X2耦合器到達(dá)放置在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)的待標(biāo)定光纖光柵溫度傳感器，反射光再經(jīng)過1X2耦合器，通過光纖端頭熔接的的FC/APC接頭與光纖光柵解調(diào)儀相連接，由光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行信號(hào)處理，解調(diào)儀與上位計(jì)算機(jī)連接通過USB接口，解調(diào)儀計(jì)算出的中心波長通過USB協(xié)議傳輸至上位計(jì)算機(jī)軟件中并顯示出來。

溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用溫度循環(huán)測量的方法。先將溫度提升至40 ℃，保持穩(wěn)定一段時(shí)間，再將溫度逐步提升，每次以5 ℃為一個(gè)步進(jìn)。溫度提升后，等待一段時(shí)間，使得由電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱讀出的箱內(nèi)當(dāng)前溫度示值穩(wěn)定后，記錄光纖光柵解調(diào)儀算出并顯示當(dāng)前溫度點(diǎn)對應(yīng)的光纖光柵反射中心波長數(shù)值，直至溫度提升到120 ℃。

隨后，按照相同步驟將溫度從120 ℃以5 ℃為一個(gè)步進(jìn)降低回40 ℃，同樣地，將對應(yīng)溫度點(diǎn)的光纖光柵反射中心波長記錄下來。完成了一次溫度循環(huán)。如此，共進(jìn)行5次溫度循環(huán)。

根據(jù)溫度傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，各次溫度循環(huán)中光纖光柵傳感器的溫度/波長變化基本均在一直線上，即可明顯看出光纖光柵溫度傳感器中心波長與溫度變化呈明顯的線性關(guān)系，如圖5所示。

圖5 光纖光柵溫度傳感器中心波長與溫度關(guān)系曲線Fig.5 Center wavelength of FBG temperature sensor with temperature curve

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得光纖光柵溫度傳感器中心波長與溫度變化關(guān)系數(shù)據(jù)，利用最小二乘法擬合可得

y=0.023 81x+1 544.590 45

(8)

式(8)為光纖光柵溫度傳感器與溫度關(guān)系擬合結(jié)果。擬合結(jié)果中，擬合系數(shù)為0.023 81，擬合線性度達(dá)0.999以上。沒有出現(xiàn)溫度突變現(xiàn)象，一般來說，光纖布拉格光柵封裝后, 由于光纖布拉格光柵的熱光系數(shù)沒有變化, 在超出光纖光柵傳感器適用范圍的溫度時(shí)，其封裝材料以及粘貼樹脂由于制作工藝缺陷、自身物理或化學(xué)性質(zhì)等原因,會(huì)導(dǎo)致光纖布拉格光柵在此時(shí)的溫度傳感特性發(fā)生突變，從而使得讀出溫度發(fā)生突變。說明封裝的光纖光柵溫度傳感器在40～120 ℃范圍內(nèi)能正常工作并準(zhǔn)確反映溫度變化。

根據(jù)擬合結(jié)果，擬合系數(shù)為0.023 81可知，此光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)為ktλ=23.81 pm/℃，是普通裸光纖光柵約10 pm/℃的溫度靈敏度系數(shù)的兩倍以上，說明此傳感器材料選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和封裝工藝綜合作用下實(shí)現(xiàn)了傳感器的溫度增敏特性。

根據(jù)溫度分辨率與波長分辨率的關(guān)系

(9)

其中：Δλ為波長分辨率；Δt為溫度分辨率。

由于實(shí)驗(yàn)中光纖光柵解調(diào)儀波長分辨率為1 pm，可算出該光纖光柵傳感器的溫度分辨率為0.042 ℃。而在實(shí)際使用中，實(shí)際的溫度分辨率還取決于實(shí)際測量時(shí)使用的光纖光柵解調(diào)儀波長分辨性能，以及應(yīng)力串?dāng)_程度。但是由于傳感器封裝結(jié)構(gòu)是對于應(yīng)變減敏的，光纖位置受到的應(yīng)變比加載到傳感器上的應(yīng)變要小50%，因此應(yīng)變影響會(huì)比一般的結(jié)構(gòu)更小。綜上，若實(shí)際使用的光柵解調(diào)儀波長分辨率為5 pm，可以認(rèn)為該種光纖光柵溫度傳感器的溫度分辨率可達(dá)到約0.2 ℃左右。

3 結(jié)束語

采用鈹青銅作為封裝基片，設(shè)計(jì)了一種封裝結(jié)構(gòu)環(huán)氧樹脂DP420作為封裝黏合劑，使用預(yù)緊封裝工藝，研制了預(yù)緊封裝基片式光纖光柵溫度傳感器，并對其溫度傳感特性進(jìn)行了有限元分析。根據(jù)分析結(jié)果，此種封裝具有一定的應(yīng)變減敏作用，使得封裝成型后的光纖光柵溫度傳感器受到應(yīng)變的影響減小，可提高實(shí)際工程使用中溫度測量的精度。根據(jù)溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明預(yù)緊封裝光纖光柵溫度傳感器線性度良好，具有較高靈敏度，靈敏度系數(shù)為23.81 pm/℃，是普通裸光纖光柵傳感器的2倍，且線性度達(dá)0.999以上。若實(shí)際使用的光柵解調(diào)儀波長分辨率為5 pm，可認(rèn)為該傳感器能分辨約0.2 ℃的溫度變化。本研究對光纖光柵的工程化封裝技術(shù)具有指導(dǎo)性意義。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.05.023

教育部"長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)"發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT1212)； 北京市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(Z151100003615010)；北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(KM201611232005)

2015-06-23；

2015-08-23

TP212.1; TH823

閆光，男，1979年8月生博士、講師。主要研究方向?yàn)楣饫w傳感技術(shù)及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等。曾發(fā)表《含口蓋復(fù)合材料圓柱殼軸壓屈曲性能分析》(《吉林大學(xué)學(xué)報(bào)》2015年第45卷第1期)等論文。

E-mail: YanGuang79@bistu.edu.cn