絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器探討

錢利鋒

摘 要：電力系統(tǒng)的輸變電設(shè)備經(jīng)常處于自然環(huán)境中，電氣設(shè)備雖然有絕緣層但是很容易被氧化，因此現(xiàn)實(shí)生活中經(jīng)常出現(xiàn)電路故障等問(wèn)題，有的甚至造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家們針對(duì)這一問(wèn)題積極研究了具有絕緣子保護(hù)的光纖BRAGG溫度傳感器，也可以稱為FBG，這種溫度傳感器主要功能是檢測(cè)電氣設(shè)備經(jīng)常發(fā)熱的工作構(gòu)件是否運(yùn)行正常。本文主要研究了絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，做了一些關(guān)于絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器的性能測(cè)試，希望能夠解決電力系統(tǒng)輸變電設(shè)備在實(shí)際工作過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，最大限度地降低經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞：絕緣子保護(hù)；FBG；溫度傳感器；性能測(cè)試

溫度是環(huán)境檢測(cè)不可或缺的參考因素之一，研究人員通過(guò)觀察溫度數(shù)據(jù)的分布與變化，可以提高海洋監(jiān)測(cè)、國(guó)防建設(shè)以及其他科學(xué)事業(yè)研究等工作的工作效率。和以往傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器相比，光纖傳感器具有突出的工作優(yōu)勢(shì)，這主要表現(xiàn)在傳感特性等方面，比如反應(yīng)靈敏度較高、經(jīng)濟(jì)成本比較低以及光路可以根據(jù)工作實(shí)際需求調(diào)整彎曲度等等?；诠饫w布拉格光柵技術(shù)的溫度傳感器，主要采用了波長(zhǎng)編碼技術(shù)，在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)工作中扮演著至關(guān)重要的角色，能夠有效消除光源功率波動(dòng)造成的不良影響。針對(duì)海洋復(fù)雜的自然環(huán)境，本文提出了一種新的溫度檢測(cè)方法，采用了光纖布拉格光柵溫度傳感器的封裝形式，這種全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一方面能夠有效減少交叉敏感問(wèn)題對(duì)溫度測(cè)量精度的負(fù)面影響，盡可能避免工作測(cè)量誤差，另一方面還能夠?qū)崿F(xiàn)溫度增敏的主要工作目的。

1.絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器的結(jié)構(gòu)

光纖光柵充分利用了光纖的光敏性原理，在光纖內(nèi)部形成了一種空間相位光柵，能夠準(zhǔn)確反映沿纖芯折射率的周期變化規(guī)律。一旦有寬帶光源照射到了光纖布拉格光柵上，光柵就可以有選擇性地反射入射光，通常來(lái)講，反射光的中心波長(zhǎng)也可以稱為布拉格波長(zhǎng)。實(shí)踐證明，如果光纖光柵傳感器的溫度和應(yīng)變兩個(gè)參數(shù)同時(shí)發(fā)生變化，那么這兩個(gè)參數(shù)都可以導(dǎo)致BRAGG溫度傳感器波長(zhǎng)發(fā)生漂移。研究人員如果單方面地從單一的波長(zhǎng)漂移量來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析工作，是無(wú)法分辨出實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化的主要影響因素究竟是溫度還是應(yīng)變，如果研究人員想將光纖光柵溫度傳感器實(shí)際運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)生活中，就必須采取合理的封裝技術(shù)或者人為提出非溫度因素的影響。在把FBG粘貼在熱膨脹系數(shù)比較大的材料進(jìn)行增敏封裝的時(shí)候，應(yīng)該充分利用這種特殊材料的熱膨脹作用，使光纖周期發(fā)生明顯變化，進(jìn)而提高光柵的溫度靈敏度。

1.2絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器的結(jié)構(gòu)

絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器的結(jié)構(gòu)主要包括以下兩個(gè)方面：選擇封裝外殼以及選擇合適的封裝方法。工作人員在測(cè)量海洋環(huán)境溫度變化的過(guò)程中，需要把研制的FBG溫度傳感器具體投放在海洋環(huán)境中，封裝海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)時(shí)，需要充分考慮封裝的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐高壓以及防腐、回收利用等因素，常用的封裝材料包括金屬和聚合物?？梢圆捎靡韵聨追N封裝方法：其一，使用貼片封裝等方法將FBG直接粘貼在基底材料上，在封裝過(guò)程中可以采用一種耐高溫有機(jī)膠材料，眾所周知，基底材料的線膨脹系數(shù)比FBG大，因此它可以有效提高溫度靈敏度系數(shù)；其二，使用毛細(xì)鋼管封裝法，采用各種各樣的模具和管材進(jìn)行灌封，首先把毛細(xì)鋼管套在FBG上，中間灌封材料有選擇性使用改性丙烯酸酯，然后工作人員再把它放在烘箱里面進(jìn)行烘干和固化工作。但是在實(shí)際工作過(guò)程中，毛細(xì)鋼管的直徑實(shí)在是太小了，工作人員在灌封改性丙烯酸酯時(shí)十分容易出現(xiàn)操作失誤，而另外一種封裝方法--把FBG黏在基底上進(jìn)行封裝也會(huì)造成FBG線膨脹不均勻。所以，這兩種封裝方式都不理想，或多或少地造成了經(jīng)濟(jì)損失，不利于工作質(zhì)量和工作效率的進(jìn)一步提高。后來(lái)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果利用金屬管進(jìn)行封裝，可以充分發(fā)揮金屬管封裝結(jié)構(gòu)緊湊、體積小以及導(dǎo)熱快的工作優(yōu)勢(shì)，提高溫度靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)FBG以及增敏的工作目的。而在所有的金屬材料中，紫銅是一種相對(duì)完美的選擇，擁有較高的純度、延展性、導(dǎo)熱性以及耐腐蝕性，再加上紫銅的導(dǎo)熱率比較高，所以在電力生產(chǎn)和熱力設(shè)備中取得了比較廣泛的應(yīng)用。就封裝方法而言，可以采用特殊的環(huán)氧膠對(duì)光柵進(jìn)行溫敏封裝，將環(huán)氧膠和光柵、紫銅緊密結(jié)合起來(lái)。填充物的熱膨脹系數(shù)比較大，一旦溫度發(fā)生變化，就可以引起布拉格波長(zhǎng)的變化，產(chǎn)生傳感布拉格波長(zhǎng)的漂移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度增敏。為了能夠徹底解決溫度傳感器對(duì)軸向應(yīng)力敏感的問(wèn)題，在實(shí)際封裝溫度傳感器的時(shí)候可以使用紫銅管保護(hù)光纖光柵，使用彈性系數(shù)比較小的彈簧恒定預(yù)應(yīng)力封裝。堵頭可以固定光纖，避免光纖出現(xiàn)移動(dòng)，減少應(yīng)力對(duì)光纖光柵造成的不良影響，工作人員也可以人為地在兩個(gè)堵頭之間有效填充導(dǎo)熱環(huán)氧膠，最大限度地提高光纖光柵的溫度靈敏度，切實(shí)增強(qiáng)金屬管的封裝強(qiáng)度?？梢栽趦蓚€(gè)堵頭中間填充一個(gè)彈簧，不斷拉動(dòng)光纖左端部的尾纖，施加一定的預(yù)應(yīng)力從而使彈簧產(chǎn)生一定形變，形成一種光柵一端受到彈簧恒定張力、另一端處于自由狀態(tài)的特殊結(jié)構(gòu)，使光纖光柵能夠自動(dòng)屏蔽軸向應(yīng)力的不良影響。[1]

2.絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器的性能測(cè)試

電力系統(tǒng)是否可以準(zhǔn)確并且安全地檢測(cè)出關(guān)鍵設(shè)備的過(guò)熱點(diǎn)是安全供電的基礎(chǔ)條件。在具體實(shí)驗(yàn)中，可以使用二級(jí)精度的水銀溫度計(jì)作為具體測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，如果恒溫槽的溫度接近設(shè)定溫度，溫控系統(tǒng)就可以自動(dòng)根據(jù)感溫器測(cè)量的溫度控制混合區(qū)的加熱器工作，熱量可以被送到特殊的工作范圍區(qū)域，避免外界各種因素的干擾，從而保持溫度的絕對(duì)恒定。傳感器的輸出信號(hào)可以通過(guò)光譜分析儀并且解調(diào)出反射中心波長(zhǎng)，工作人員可以利用望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)確讀取水銀溫度計(jì)的指示值。待測(cè)試的溫度傳感器可以根據(jù)工作環(huán)境的不同溫度，自動(dòng)輸出相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，科學(xué)比較環(huán)境溫度和波長(zhǎng)，整理數(shù)據(jù)繪制出一條專門的曲線以反應(yīng)溫度和波長(zhǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而得到傳感器性能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果。研究人員可以針對(duì)傳感器做二十次升溫實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不能過(guò)分關(guān)注縮減實(shí)驗(yàn)時(shí)間，一定要等到恒溫槽的介質(zhì)穩(wěn)定在設(shè)定的溫度值，然后再通過(guò)望遠(yuǎn)鏡及時(shí)讀取溫度計(jì)的溫度。[2]

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)海洋環(huán)境的溫度測(cè)量提出了一種全新的FBG溫度傳感器的封裝方法，可以切實(shí)解決以往溫度測(cè)量工作中出現(xiàn)的部分問(wèn)題，提高工作質(zhì)量和工作效率，提高測(cè)量靈敏度。這種絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器選擇的工業(yè)材料是硅橡膠憎水性材料，然后再和一體成型的結(jié)構(gòu)完成傳感器的加工制作。光纖光柵由于受到了絕緣子層的重重保護(hù)，溫度傳感器可以在高壓環(huán)境下正常工作運(yùn)行，有效避免電氣設(shè)備因?yàn)楸谎趸霈F(xiàn)造成輸電線路故障的問(wèn)題。在對(duì)具有絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器進(jìn)行溫度性能測(cè)試時(shí)，研究人員進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)整理，最終發(fā)現(xiàn)溫度傳感器的靈敏度系數(shù)為10.2，線性度為0.70。

參考文獻(xiàn)：

[1]張登攀，鄭艷，王晉，王永杰.FBG溫度傳感器交叉敏感問(wèn)題的研究[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2016，11（3）.

[2]李英娜，徐樹振，田雷，李川，張旭，趙振剛.絕緣子保護(hù)的FBG溫度傳感器研究.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（7）.