用于航天環(huán)境的布拉格光柵溫度傳感器靈敏度與精度研究

(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

0 引言

國外NASA、ESA等機(jī)構(gòu)早在20世紀(jì)70年代就開始了航天器用光纖傳感系統(tǒng)的研究。在航天航空領(lǐng)域，光纖傳感器主要是應(yīng)用在航天器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、復(fù)合智能材料等領(lǐng)域。相較電傳感器，光纖傳感器具有電隔離、抗干擾、耐受惡劣環(huán)境、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，尤其是可以有效減小載荷，能在復(fù)雜環(huán)境下高精度、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)監(jiān)測航天器結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)變等參數(shù)，全方位感知航天器結(jié)構(gòu)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而有效保證航天器的正常運(yùn)行和航天員的生命安全，提高航天任務(wù)的可靠性和安全性。

1998年，NASA在X-33航天飛機(jī)上采用了基于光纖布拉格光柵傳感器了結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)，用來測量燃料儲箱、保溫層以及機(jī)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、溫度等參量，取得的較好的效果[1]。2001年，在后續(xù)的X-38項(xiàng)目中，NASA又使用12支光纖布拉格光柵傳感器制作了準(zhǔn)分布式光纖光柵結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)，可以測量機(jī)體結(jié)構(gòu)的力學(xué)載荷[2]，量程達(dá)-1000到3000 με。

2009年，ESA在Proba-2衛(wèi)星上安裝了首臺光纖傳感樣機(jī)，用于推進(jìn)器的高溫光纖傳感器的解調(diào)。據(jù)報(bào)道該傳感器可在高達(dá)1 100 ℃的高溫下工作，穩(wěn)定超過50小時(shí)[3]。

2011年，JAXA將光纖光柵傳感器嵌入到碳纖維塑料復(fù)合材料中用于結(jié)構(gòu)的損傷檢測。實(shí)驗(yàn)證明了通過檢測傳感器的應(yīng)變可以間接地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的沖擊、應(yīng)力、損傷檢測[4]。

目前，國外已經(jīng)將光纖傳感技術(shù)成功應(yīng)用到多類航天器上，例如運(yùn)載火箭，衛(wèi)星，載人倉等，技術(shù)相對成熟。而國內(nèi)對于光纖傳感技術(shù)在航天領(lǐng)域的研究才剛剛起步，與國外尚有不小的差距。另外，有報(bào)道的應(yīng)用在航天器、航天領(lǐng)域的光纖傳感研究大多是用在檢測航天器的結(jié)構(gòu)健康，材料的應(yīng)力、應(yīng)變、嵌入式智能材料等，而用于溫度測量的相關(guān)研究較少見，根據(jù)報(bào)道[5]，NASA已經(jīng)能夠做到在-253～280 ℃的寬溫度范圍內(nèi)做到準(zhǔn)確的測量，而國內(nèi)鮮見相關(guān)研究。

國內(nèi)對于光纖光柵的研究大多是在民用領(lǐng)域。目前，應(yīng)用于公路、橋梁、鐵路、地鐵等工程上的光纖光柵溫度、應(yīng)變傳感器已經(jīng)很成熟了，能夠達(dá)到較高的精度，應(yīng)用較為廣泛。但是，國內(nèi)有報(bào)道的光纖光柵溫度傳感器都僅僅能在常溫下工作，無法適應(yīng)航天環(huán)境中的低溫以及惡劣環(huán)境。

我們利用光纖光柵的金屬化技術(shù)制作了利用鎳增敏的光纖光柵溫度傳感器。此前，光纖光柵金屬化技術(shù)大多是用于光纖光柵的無膠化封裝，以及高溫下光纖光柵的保護(hù)。我們提出了使用該技術(shù)對光纖光柵進(jìn)行增敏以適用于航天環(huán)境中的應(yīng)用。經(jīng)過試驗(yàn)，制成的傳感器有著較高的溫度靈敏度和精度。

1 理論

FBG，即光纖布拉格光柵，是一種在光纖纖芯中制作形成周期性折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)的光無源器件。首個(gè)光纖布拉格光柵是在1978年，加拿大渥太華通信研究中心的K.O.HILL等人在一根摻鍺光纖上制成的[6]。

布拉格光纖光柵的結(jié)構(gòu)與平面光柵類似，都是周期性的重復(fù)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對光的調(diào)制。光學(xué)特性上，光纖布拉格光柵表現(xiàn)為類似一個(gè)窄帶光濾波器，當(dāng)一束寬帶光入射進(jìn)光纖光柵，特定波長附近的光線會被反射回來，其工作原理示意圖由圖 1所示，圖1(b)是反射光的光譜，圖1(c)是透射光的光譜。

圖1 光纖布拉格光柵原理

該現(xiàn)象可以用耦合模理論來解釋。反射光譜中，強(qiáng)度最高對應(yīng)的波長稱為光纖光柵的中心波長，也叫布拉格波長,λB，可用(1)式表示[7]：

λB=2neffΛ

(1)

式中，Λ是光纖光柵的折射率調(diào)制周期，neff是纖芯的有效折射率。這兩個(gè)參量會受到外界環(huán)境變化影響，進(jìn)一步說，外界環(huán)境參量的變化會引起光纖光柵反射光譜中心波長發(fā)生變化，檢測光纖光柵的中心波長就可以反過來實(shí)現(xiàn)對環(huán)境因素的傳感測量。這就是光纖布拉格光柵傳感器的基本原理。

經(jīng)過一系列的數(shù)學(xué)推導(dǎo)[8]，我們可以得到光纖布拉格光柵的溫度傳感模型：

(2)

dλB=aTλBdT

(3)

稱aT為光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)，即環(huán)境溫度變化1 ℃，造成的光纖布拉格光柵中心波長的漂移大小。室溫下，對于1550 nm波段的裸光纖布拉格光柵，aT通常約為9.6 pm/ ℃[8]。

常溫環(huán)境下，光纖布拉格光柵溫度傳感器的溫度靈敏度約為9.6 pm/℃，普通光纖光柵解調(diào)儀分辨率一般為1 pm，因此溫度分辨率約為0.1 ℃。但是，隨著溫度的下降，光纖光柵的溫度靈敏度會逐漸降低。當(dāng)溫度低于-80 ℃是，光纖光柵的溫度靈敏度只有5.41 pm/℃[9]，僅為室溫條件下的一半左右。溫度越低，光纖光柵的溫度靈敏度也越低，精度也隨之變差。然而，航天器表面、內(nèi)部溫度最低可達(dá)-200 ℃，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通布拉格光纖光柵的測溫范圍，必須解決這個(gè)問題。

一個(gè)可行的解決方案是對光纖光柵進(jìn)行增敏。即使用具有較高熱膨脹系數(shù)的材料作為裸光纖光柵的基底或者涂覆，當(dāng)溫度改變時(shí)，增敏材料隨著溫度的變化膨脹或者收縮，帶動(dòng)光纖光柵膨脹或收縮，引起布拉格波長的漂移。由于選取的材料熱膨脹的程度要比光纖光柵本身高，所以起到了增敏作用。

常見的增敏材料有各種金屬以及高分子材料。使用高分子材料進(jìn)行增敏，通常的做法是將增敏材料做成基底，然后將布拉格光纖光柵粘接在基底上面。這種方法操作簡單易行，但是膠粘劑壽命較短，容易發(fā)生蠕變，嚴(yán)重影響布拉格光纖光柵測溫的精度與穩(wěn)定性。金屬材料也可使用基底的方式增敏，但是利用金屬本身延展性好這一特性，我們可以將布拉格光纖光柵表面制作一層金屬涂層，這既可以客服膠粘法的一些缺陷，也可以達(dá)到增敏的目的。常見金屬的熱膨脹系數(shù)見圖2。

圖2 常見金屬的熱膨脹系數(shù)

從圖2可以看出不同金屬的熱膨脹系數(shù)也不同，鉛、鋅、銦等金屬具有著極高的熱膨脹系數(shù)，鋁、銀、銅則適中，鎳的熱膨脹系數(shù)最低。但即使是最低的鎳金屬，其熱膨脹系數(shù)也比石英要高出一個(gè)數(shù)量級以上[10]?？紤]到現(xiàn)有的工藝，將鎳涂鍍到光纖表層是最經(jīng)濟(jì)、簡易的，因此我們選擇了鎳金屬作為增敏材料。

2 實(shí)驗(yàn)與測試

2.1 鎳涂層光纖光柵的制作

為了對布拉格光纖光柵進(jìn)行增敏，我們采用化學(xué)鍍的方式將光纖光柵表面鍍上一層薄金屬鎳。從理論上說，化學(xué)鍍實(shí)際上是一種氧化還原反應(yīng)，與電鍍工藝相同，是金屬鹽中的陽離子被還原劑還原成金屬單質(zhì)的過程。但是化學(xué)鍍能夠在不導(dǎo)電的絕緣體表面實(shí)現(xiàn)，而電鍍只能用于金屬導(dǎo)體上。整個(gè)工藝流程如圖 3所示。

圖3 金屬化工藝流程圖

我們采用的光纖光柵是杭州光佑公司生產(chǎn)的光纖布拉格光纖光柵，中心波長約為1 563 nm，反射率90%，帶寬0.3 nm，光纖光柵上的涂覆已經(jīng)使用機(jī)械手段除去。首先，將光纖光柵浸泡在10%的NaOH溶液中，去除附著的油污與灰塵，10 min后取出，在超聲波清洗機(jī)中清洗3 min。

由于光纖光柵的材質(zhì)是石英，即使金屬單質(zhì)被還原出來，也不易沉積到光纖光柵表面。因此我們采用鈀催化劑對光纖光柵表面進(jìn)行活化和催化。實(shí)際上，這種活化-催化兩步法最早是用于對于塑料表面進(jìn)行化學(xué)鍍的處理工藝[11]，但也可以應(yīng)用到光纖光柵上[12]?；罨瘎┡c催化劑的配方如表 1

表1 活化-催化配方

將清潔后的光纖光柵在活化液中處理20 min，取出，立即放入催化液中處理10 min，然后用流動(dòng)的去離子水洗凈。注意在清洗時(shí)必須將光柵表面與空氣充分接觸，以便催化液中的Pd2+離子充分被氧化形成光纖光柵表面的納米集團(tuán)，形成有利于金屬鎳吸附的基團(tuán)，在化學(xué)鍍時(shí)才能使鎳鍍層牢固吸附于光纖光柵表面。這也是催化后不用超聲波清洗機(jī)清洗的原因。

經(jīng)過活化、催化后的光纖光柵就可以進(jìn)行化學(xué)鍍處理了。我們采用酸性鍍鎳工藝，鍍液配方如表 2。

表2 鍍液配方

稱取相應(yīng)質(zhì)量的化學(xué)試劑溶于去離子水加入大燒杯中，再使用NaOH調(diào)節(jié)PH值到4.0～5.0。此時(shí)，溶液呈藍(lán)綠色，燒杯底部有部分沉淀，如圖 4(a)所示。

將光纖光柵固定在燒杯內(nèi)部，放入水浴鍋中加熱。在開始時(shí)，將水浴鍋的溫度控制在95 ℃，隨著溫度的升高，鍍液溫度開始升高，顏色逐漸變深(圖 4(b))，最后穩(wěn)定在約86 ℃。持續(xù)水浴50 min后，鍍液沸騰，顏色逐漸加深，最終變?yōu)樗{(lán)黑色，且由透明液體逐漸變?yōu)椴煌该鳎妶D 4(c)。鍍液沸騰后，保持鍍液沸騰的狀態(tài)10 min，然后將水浴鍋的溫度降低到80 ℃，保持1 h?；瘜W(xué)鍍結(jié)束后，最后鍍液的顏色為藍(lán)黑色，比較透明，肉眼可見燒杯中有金屬鎳析出，見圖4(d)。

圖4 鍍液狀態(tài)圖

在顯微鏡低倍狀態(tài)下觀察鍍鎳完成的光纖布拉格光柵，見圖 5。左端較厚的部分是未去除的涂覆層(成分為丙烯酸酯)，中間較細(xì)的部分是去掉涂覆后光纖光柵，上面是金屬鎳鍍層，肉眼可見反光明顯。鎳鍍層厚度均勻，表面光滑，未見肉眼可見缺陷。

圖5 鍍鎳光纖布拉格光柵

在顯微鏡較高倍數(shù)下的制作好的鍍鎳布拉格光纖光柵如圖6。鍍層非常光滑，沒有粗糙的毛刺，與布拉格光纖光柵結(jié)合完好，明顯反光，厚度均勻。根據(jù)圖像計(jì)算出的鎳涂層的厚度約為5 um。證明化學(xué)鍍工藝用于制作光纖光柵的金屬化涂層是完全可行的。

圖6 鍍鎳布拉格光纖光柵的高倍視圖

2.2 溫度靈敏度和精度測試

目前對布拉格光纖光柵溫度傳感的研究主要著重于對布拉格光纖光柵進(jìn)行增敏。前文已經(jīng)提過，普通未經(jīng)增敏處理的布拉格光纖光柵的溫度靈敏度大約在9.6 pm/℃, 普通光纖光柵解調(diào)儀分辨率一般為1 pm，即溫度分辨率約為0.1 ℃,相比鉑電阻等電類溫度傳感器，這個(gè)數(shù)值并不高，因此，大多數(shù)研究都是致力于提升布拉格光柵光纖的溫度靈敏度，使用各種手段進(jìn)行增敏，以達(dá)到更高的測溫精度。

現(xiàn)在廣泛使用對布拉格光纖光柵進(jìn)行增敏的技術(shù)主要是將膨脹系數(shù)較高的材料作為基底或者涂覆到布拉格光纖光柵上，間接提升布拉格光纖光柵的溫度靈敏度。但是，實(shí)際應(yīng)用中很難使增敏材料與布拉格光纖光柵理想結(jié)合，二者之間極易發(fā)生相對滑動(dòng)，這樣，布拉格光纖光柵的測溫重復(fù)性與精度就會受到極大影響，產(chǎn)生較大的誤差。

理論上來說，相比傳統(tǒng)的的使用膠粘封裝增敏的布拉格光纖光柵溫度傳感器，我們使用化學(xué)鍍鎳制作的金屬增敏布拉格光纖光柵穩(wěn)定性更好，更不易發(fā)生蠕變，有著更長的壽命。我們實(shí)驗(yàn)測試了制作好的增敏布拉格光纖光柵的性能。

我們使用sm125光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)光柵，KM3型環(huán)境模擬設(shè)備模擬宇宙空間環(huán)境(真空，低溫)，測試了制作的鍍鎳光柵。我們控制設(shè)備內(nèi)的溫度在80 ℃到-110 ℃之間升降，循環(huán)4次，以盡可能仿真布拉格光纖光柵在宇宙空間中的環(huán)境溫度變化，測試得到鍍鎳光纖布拉格光柵的溫度精度。模擬艙內(nèi)的環(huán)境溫度變化見圖 7。

圖7 艙內(nèi)溫度變化曲線圖

艙內(nèi)溫度升降有4個(gè)階段，圖 8上用字母標(biāo)注了各階段轉(zhuǎn)折點(diǎn)。為了模擬實(shí)際情況，設(shè)備內(nèi)的溫度升降速度不是均勻的。記錄各階段的溫度數(shù)據(jù)和布拉格光纖光柵的中心波長數(shù)據(jù)，將各階段記錄的溫度-光纖光柵中心波長數(shù)據(jù)作圖，見圖 8。，圖上共有四條曲線，對應(yīng)溫度升降的4個(gè)階段，其中Down1對應(yīng)的曲線是AB階段，Up1對應(yīng)的曲線是CD階段，Down2對應(yīng)的曲線是DE階段，Up2對應(yīng)的曲線是EF階段。

圖8 光纖光柵中心波長

將4條曲線分別進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，得到表3，其中，擬合曲線用y=Intercept+B1×X1+B2×X2+B3×X3表示。

表3 擬合結(jié)果曲線擬合結(jié)果

從表3中可以看出，三次多項(xiàng)式可以較好地?cái)M合布拉格光纖光柵的中心波長與溫度的變化情況，這與理論研究較符合[9]。對四條曲線求一階導(dǎo)數(shù)，作圖得到圖 8。從物理意義上來說，圖 9的曲線就代表鍍鎳布拉格光纖光柵的溫度靈敏度，單位是nm/℃，即溫度每變化1攝氏度，光纖光柵的中心波長的變化量。從圖中可以看出，室溫時(shí)，光纖光柵的溫度靈敏度約為0.010～0.011 nm/℃左右，即10～11 pm/℃左右，比裸光纖光柵略高一些；隨著溫度降低，溫度靈敏度也降低，-120 ℃時(shí)約為6 pm/℃，仍比裸光纖光柵高[9]。

圖9 光纖光柵溫度靈敏度

考慮-110～0 ℃范圍內(nèi)的精度。對圖 8中最上面的曲線Up1和最下面的曲線Up2做減法(即兩條相差最大的曲線)，得到圖 10。在-110～-40 ℃范圍內(nèi)，光纖光柵的重復(fù)誤差約為pm，考慮到該溫度范圍內(nèi)的溫度靈敏度約為7 pm/℃，則光纖光柵傳感器的溫度精度約為1 ℃。在-40～0 ℃范圍內(nèi)，光纖光柵的重復(fù)誤差稍大，約為15 pm，考慮到此時(shí)光纖光柵的溫度靈敏度也略高，按9 pm/℃計(jì)算，則光纖光柵傳感器的溫度精度約為℃。

圖10 光纖光柵的波長誤差

3 結(jié)論

我們使用化學(xué)鍍鎳工藝制作了鎳增敏的光纖布拉格光柵，實(shí)驗(yàn)證明了化學(xué)鍍工藝能夠成功地在光纖光柵表面沉積一層鎳鍍層，且能夠起到有效的增敏作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測比較符合，經(jīng)過增敏后的光纖布拉格光柵溫度靈敏度在7～11 pm/℃之間，重復(fù)精度較高，在-110～-40 ℃范圍內(nèi)精度可達(dá)±1 ℃。

目前，對光纖光柵金屬封裝的研究大多都是針對提高布拉格光纖光柵的溫度靈敏度與高溫下的保護(hù)封裝，而我們開創(chuàng)性的研究了低溫下布拉格光纖光柵的溫度傳感性能以及增敏后的布拉格光纖光柵的重復(fù)精度，可為布拉格光纖光柵的航天應(yīng)用提供參考。