基片式高靈敏度光纖光柵溫度傳感器

彭雄輝，黃安貽，左浩然

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

基片式高靈敏度光纖光柵溫度傳感器

彭雄輝，黃安貽，左浩然

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

光纖光柵是一種新型光學(xué)無(wú)源器件，現(xiàn)已普遍運(yùn)用于傳感測(cè)量方面，但由于裸光纖光柵的靈敏度比較低，需要對(duì)其進(jìn)行增敏封裝處理。該文提出一種基片式封裝結(jié)構(gòu)，運(yùn)用鋁和殷鋼兩種不同熱膨脹系數(shù)的材料，進(jìn)行過(guò)渡配合，當(dāng)鋁受熱產(chǎn)生變形，在鋁和殷鋼之間形成擠壓力，這種擠壓力減弱橫向延伸，增強(qiáng)縱向兩端延伸，使得光纖光柵應(yīng)變?cè)龃蟆Ｍㄟ^(guò)水浴加熱實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析裸光纖光柵、封裝的光纖光柵和改進(jìn)封裝后的光纖光柵的溫度特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)的基片式封裝結(jié)構(gòu)溫度傳感器的線性相關(guān)系數(shù)為0.996，其靈敏度為33.21pm/℃，是裸光纖光柵的3.224倍，比單一鋁材料封裝靈敏度增大6.41pm/℃，可廣泛運(yùn)用于多種場(chǎng)合的溫度測(cè)量，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

溫度傳感器；光纖光柵；基片；靈敏度

0 引 言

光纖光柵是一種光學(xué)無(wú)源器件，由于其具有質(zhì)量輕、體積小、抗電磁干擾、耐腐蝕以及傳感測(cè)量的準(zhǔn)確度高等優(yōu)良特性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于傳感測(cè)量領(lǐng)域[1-4]。光纖光柵作為一種傳感測(cè)量元件，當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，使得光纖光柵產(chǎn)生一定的應(yīng)變，這將引起光纖光柵的周期和光柵折射率的變化，從而使得進(jìn)入光纖光柵中被反射和透射的光波發(fā)生一定的漂移，但在實(shí)際的應(yīng)用中，往往由于溫度變化的范圍不大，從而溫度引起的光纖光柵的應(yīng)變非常微小，即裸光纖光柵的溫度靈敏度很低，所以在實(shí)際的工程應(yīng)用中，一般將裸光纖光柵進(jìn)行溫度增敏封裝，以提高其溫度靈敏度。

現(xiàn)有的光纖光柵的封裝形式有很多，根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)和材料的不同，主要有聚合物封裝[5]、金屬管封裝[6-7]、基片式封裝[8-10]等比較常見(jiàn)的形式。本文研究基片式的封裝形式，通過(guò)對(duì)封裝的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，使其在溫度方面的靈敏度得到較大提高。

目前有關(guān)基片式光纖光柵溫度傳感器的研究也有許多，如禹大寬等[11]提出來(lái)一種基于鈹青銅片封裝的光纖光柵溫度傳感器的模型，其靈敏度為0.0315mm/℃，并具有良好的重復(fù)性和線性度；于秀娟等[12]提出了一種銅片封裝的工藝，與裸光纖光柵的測(cè)試結(jié)果相比，該種封裝的傳感器溫度靈敏度提高了2.78倍；詹亞歌等[13]研究了一種光纖光柵的金屬槽封裝技術(shù)，其特征也是一種基片式封裝結(jié)構(gòu)，該種金屬槽的封裝技術(shù)使得其溫度靈敏度比普通裸光柵提高了3.6倍。

綜上可知，目前封裝的材料都是單一地采用了一種熱膨脹系數(shù)比較大的材料作為基底材料，利用這種材料在受熱時(shí)膨脹變形大的機(jī)理，從而帶動(dòng)光纖光柵產(chǎn)生大的應(yīng)變，進(jìn)而提高光纖光柵溫度測(cè)量的靈敏度，在本文中也是運(yùn)用了這種相似的原理，但不同的是選用了兩種不同熱膨脹系數(shù)的金屬材料。將兩種材料設(shè)計(jì)成特殊結(jié)構(gòu)組成的裝配體，并把該裝配體封裝在聚合酯材料的殼體中，殼體中的其他間隙用導(dǎo)熱脂填充，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果可證明該種封裝結(jié)構(gòu)的有效性，且其光纖光柵溫度傳感器的靈敏度得到很大提高。

1 光纖光柵溫度增敏原理

光纖光柵傳感器的傳感信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制，通過(guò)檢測(cè)裝置測(cè)量反射波長(zhǎng)的改變來(lái)感知周圍環(huán)境的變化，而且光纖光柵中心反射波長(zhǎng)的變化是由光柵周期或者光柵區(qū)的折射率改變引起的[14-17]，其關(guān)系式可以表示為

式中：λg——反射波長(zhǎng)；

neff——光柵區(qū)折射率；

Λ——光柵周期。

當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，將引起neff和Λ的變化，從而引起光柵中心反射波長(zhǎng)λg的改變，而對(duì)于溫度單獨(dú)變化所引起的光纖光柵反射波長(zhǎng)的改變量為

式中：αs——光纖的熱膨脹系數(shù)；

ζs——光纖熱光系數(shù)。

從上式可以看出，當(dāng)外界環(huán)境溫度變化較小時(shí)，由溫度所引起的光纖光柵反射波長(zhǎng)的改變量的變化也很微小，裸光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏度不高，為了提高對(duì)溫度的靈敏度，將光纖光柵封裝在熱膨脹系數(shù)較大的基體材料上，當(dāng)該基體材料的熱膨脹系數(shù)為α（α＞＞αs）時(shí)，則封裝后的光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)與溫度變化的關(guān)系為

式中pe為光纖的彈光系數(shù)。

2 封裝模型的初步設(shè)計(jì)

從式（3）中可以看出，當(dāng)選用熱膨脹系數(shù)α比較大的基底材料作為封裝材料時(shí)，在外界環(huán)境溫度的改變量相同的情況下，式（3）與式（2）相比，熱膨脹系數(shù)大的基底材料所引起的光纖光柵反射波長(zhǎng)的改變量較大，所以本文選用鋁片作為基底材料對(duì)裸光纖光柵進(jìn)行初步的封裝設(shè)計(jì)，該基底模型如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

為了比較直觀地看出該種封裝模型在溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)的變形效果，對(duì)該種模型進(jìn)行有限元熱靜力分析，其分析結(jié)果如圖3所示。

在該模型的有限元熱靜力分析中，由于鋁片是主要的受熱變形元件，而且是主要的分析對(duì)象，所以將鋁片的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分，劃分的單元總數(shù)為310 000個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)是460 000個(gè)，在進(jìn)行的熱靜力分析的結(jié)果中可以看出，鋁片在受熱膨脹時(shí)，其最大應(yīng)變?yōu)?.0038446mm。

圖1 鋁基片模型

圖2 鋁基片實(shí)物圖

圖3 封裝模型熱靜力分析

3 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

由以上對(duì)初步封裝的傳感器模型進(jìn)行的有限元分析中可以看出該封裝模型的溫度變形效果，為了實(shí)際驗(yàn)證該種封裝方法的有效性，下面對(duì)該傳感器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

選擇1 550 nm波段的光纖光柵，選用型號(hào)為BGD-4002的光纖光柵解調(diào)儀，該解調(diào)儀的采樣率為4kHz，分辨率是 1pm，波段是 1525～1565nm。實(shí)驗(yàn)中選擇一根與封裝的光纖光柵相同參數(shù)的裸光纖光柵做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，采用水浴實(shí)驗(yàn)的方法，驗(yàn)證裸光纖光柵與封裝后的光纖光柵在測(cè)量表面溫度時(shí)對(duì)溫度的靈敏特性，實(shí)驗(yàn)原理如圖4所示。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程為采用真空的杜瓦瓶并在瓶中充滿熱水，通過(guò)改變瓶?jī)?nèi)水的溫度，作為實(shí)驗(yàn)時(shí)的可控?zé)嵩矗賹⑵靠谟密浤救o，軟木塞的中間為通孔，將一根標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)插在軟木塞的另一個(gè)小孔中用以測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度，將裸光纖光柵與封裝的光纖光柵的下端面浸在杜瓦瓶的水中，其中裸光纖光柵用于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的對(duì)比，具體的實(shí)物如圖5所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)原理圖

圖5 具體實(shí)物圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一共記錄了7組不同溫度時(shí)的光纖光柵波長(zhǎng)變化情況，該數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 不同溫度下2種光纖光柵對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)對(duì)比

對(duì)表中所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，從而得出裸光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)λ1與溫度之間的關(guān)系為λ1=0.010 3T+1 546.821，即該裸光纖光柵測(cè)量表面溫度時(shí)的靈敏度為10.3pm/℃。另外，封裝的光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)λf與溫度之間的關(guān)系為λf=0.026 8T+1 547.878，即封裝后的光纖光柵測(cè)量表面溫度時(shí)的靈敏度為26.8pm/℃。這兩者的擬合曲線如圖6所示，并且在不同溫度時(shí)的波長(zhǎng)變化的誤差如圖7所示。從圖6中可以看出封裝的光纖光柵與裸光纖光柵在測(cè)量物體表面溫度時(shí)，封裝的光纖光柵的靈敏度更高，而且從圖7中看出，當(dāng)物體表面溫度越高時(shí)，封裝的光纖光柵與裸光纖光柵的波長(zhǎng)變化誤差也越來(lái)越大。雖然這種封裝的方式使得光纖光柵測(cè)量物體表面溫度的靈敏度提高，但是這種封裝的方式和現(xiàn)有的封裝方式區(qū)別不大，因此，為盡可能提高光纖光柵測(cè)量物體表面溫度的靈敏性，需要對(duì)這種封裝方式進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖6 光纖光柵波長(zhǎng)擬合曲線

圖7 波長(zhǎng)變化誤差

圖8 殷鋼-鋁基片模型

圖9 殷鋼-鋁基片封裝模型熱靜力分析

4 封裝模型改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了增大光纖光柵測(cè)量物體表面溫度的靈敏度，單一地運(yùn)用一種熱膨脹系數(shù)大的材料作為封裝的基底材料確實(shí)可以提高靈敏度，但是這種封裝方式對(duì)于靈敏度的提高只是運(yùn)用了材料熱膨脹系數(shù)大的材料受熱變形大的機(jī)理來(lái)提高靈敏度，因此對(duì)該封裝方式進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使用兩種不同熱膨脹系數(shù)的材料，將這兩種材料設(shè)計(jì)成組合體，進(jìn)行過(guò)渡配合，其配合模型如圖8所示，選熱膨脹系數(shù)比較低的殷鋼和熱膨脹系數(shù)比較大的鋁，將鋁和殷鋼進(jìn)行過(guò)渡配合，當(dāng)鋁受熱時(shí)產(chǎn)生變形，從而在鋁和殷鋼之間形成擠壓力，這種擠壓力的分布是中心對(duì)稱且合力是指向兩端，使得鋁向兩端延伸，而鋁由于自身的受熱膨脹也將向兩端延伸，因此鋁片的總應(yīng)變是擠壓變形和受熱變形同時(shí)作用的效果，以此為原理對(duì)封裝模型進(jìn)行改進(jìn)。

4.1 有限元熱靜力分析

將殷鋼-鋁基片封裝的模型進(jìn)行有限元熱靜力分析，其網(wǎng)格劃分和熱分析加載條件如前文所述，仿真結(jié)果如圖9所示。

可以看出加載條件相同的條件下，這種改進(jìn)設(shè)計(jì)的殷鋼-鋁基片封裝模型與前文中的鋁基片封裝模型的熱分析結(jié)果相比，其鋁片的最大應(yīng)變?yōu)?.0052539mm，最大應(yīng)變?cè)龃罅?.0014093mm。由此得出這種改進(jìn)設(shè)計(jì)方法的有效性。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將前文中的裸光纖光柵替換成這種改進(jìn)設(shè)計(jì)的殷鋼-鋁基片封裝的溫度傳感器，將殷鋼-鋁基片封裝的溫度傳感器與單純的鋁基片封裝的溫度傳感器做靈敏性對(duì)比試驗(yàn)，其他實(shí)驗(yàn)條件均不變。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一共記錄了7組不同溫度時(shí)的光纖光柵波長(zhǎng)變化情況，該數(shù)據(jù)記錄如表2所示。對(duì)表中所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，從而得出改進(jìn)設(shè)計(jì)封裝的光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)λg與溫度之間的關(guān)系為λg=0.03321T+1547.517，即改進(jìn)設(shè)計(jì)封裝的光纖光柵測(cè)量表面溫度時(shí)的靈敏度為33.21pm/℃。與鋁基片封裝的光纖光柵相比，這種改進(jìn)設(shè)計(jì)的封裝方法使光纖光柵測(cè)量物體表面的靈敏度增大了6.41pm/℃。將這種封裝方法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，所得的擬合曲線如圖10所示。對(duì)比兩種封裝方式，可以看出改進(jìn)設(shè)計(jì)封裝的光纖光柵測(cè)量溫度時(shí)的靈敏度有很大提高。

表2 改進(jìn)封裝后不同溫度下2種光纖光柵對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)對(duì)比

圖10 改進(jìn)后的光纖光柵波長(zhǎng)擬合曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種基片式光纖光柵溫度傳感器的封裝方法，通過(guò)理論分析和具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了初步設(shè)計(jì)封裝的傳感器的溫敏特性，并對(duì)這種基片式封裝方法提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終改進(jìn)設(shè)計(jì)出一種高靈敏度光纖光柵溫度傳感器的封裝方案，即殷鋼和鋁作為基底材料，用聚乙酯塑料殼和導(dǎo)熱脂封裝的溫度傳感器，且經(jīng)過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)證明了該種封裝設(shè)計(jì)的有效性，這種改進(jìn)設(shè)計(jì)的溫度傳感器的線性相關(guān)系數(shù)為0.996，靈敏度是33.21 pm/℃，是裸光纖光柵溫度傳感器的3.224倍，并且有很好的重復(fù)性，可廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)合的物體表面的溫度測(cè)量，具有很好的應(yīng)用前景。

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（編輯：李妮）

Substrate type high-sensitivity fiber grating temperature sensor

PENG Xionghui，HUANG Anyi，ZUO Haoran
（School of Mechanical and Electronic Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

As a new kind of optical passive device，fiber grating is widely used in sensor measurement.While bare fiber grating is of low sensitivity，thus needs to be strengthened in sensitivity and packaged.This paper put forward a kind of substrate type packaging structure，using two materials（aluminium and invar steel） that have different thermal expansion coefficient for transition fit.When aluminum was deformed due to heating，extrusion pressure formed between aluminium and invar steel，which made the lateral extension weakened and longitudinal extension enhanced，resulting in the increase of the fiber grating strain.Water bath heating test was carried out to compare and analyze the temperature characteristics of bare fiber grating，packaged fiber grating and fiber grating with packaging improved.The results show that the linear correlation of improved substrate type packaging structure temperature sensor is 0.996，and its sensitivity is 33.21 pm/℃，which is 3.224 times that of the bare fiber grating.Compared to the single aluminium material packaging sensitivity，the sensitivity increased by 6.41 pm/℃，thus it can be widely used in a variety of occasions for temperature measurement and has practical value.

temperature sensor；fiber grating；substrate；sensitivity

A

：1674-5124（2017）07-0134-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.07.026

2016-10-08；

：2016-12-12

國(guó)家火炬計(jì)劃項(xiàng)目（2006GH041236，2010GH041417）

彭雄輝（1989-），男，湖北武漢市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)楦呔葍x器測(cè)量。