衛(wèi)星環(huán)境溫度監(jiān)測的光纖光柵傳感器研究

徐福勝,閆 光,鐘國舜,孟凡勇,祝連慶

(1.北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院,北京 100192；2.光電信息與儀器北京市工程研究中心,北京 100016；3.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

衛(wèi)星在軌飛行時,衛(wèi)星外部會受到-100～100 ℃的惡劣交變溫度,然而衛(wèi)星內(nèi)部又必須保證一定的溫度范圍,以保證星內(nèi)的儀器設(shè)備工作正常運行。一般衛(wèi)星內(nèi)部儀器設(shè)備工作溫度需保持在5～45 ℃之間,個別部分只允許在恒定溫度下由1～2 ℃的變化范圍。因此對衛(wèi)星內(nèi)部環(huán)境溫度的監(jiān)測具有重要的意義。常用測溫的熱電偶型或熱電阻型等電子類溫度傳感器易受電磁場的干擾。而光纖光柵溫度傳感具有靈敏度高、質(zhì)量輕、體積小、抗電磁干擾等諸多優(yōu)點[1-8],非常適合于惡劣太空環(huán)境中對衛(wèi)星溫度參數(shù)的監(jiān)測。近年來,很多專家學者對光纖光柵溫度傳感特性進行了研究并應(yīng)用在了諸多領(lǐng)域。2000年,新加坡的Murukeshan[9]等人用光纖光柵研究了復(fù)合材料固化過程的溫度特性；2009年,武漢理工大學的孫振華[10]等人做了機載環(huán)境下光纖光柵溫度傳感的研究；2015年,中國科學院半導(dǎo)體研究所的張登攀[11]等人設(shè)計了一種圓柱體外殼的光纖光柵溫度傳感器并應(yīng)用于快速海洋測溫；2016年,北京信息科技大學的閆光[12]等采用高熱脹冷縮系數(shù)的復(fù)合材料作為基底,對光纖傳感器結(jié)構(gòu)和封裝形式進行了優(yōu)化研究；2017年,山東科學院激光研究所的劉媛[13]等人將光纖光柵溫度傳感器應(yīng)用在變壓器上對其繞組進行溫度監(jiān)測。但是將光纖光柵溫度傳感應(yīng)用在衛(wèi)星領(lǐng)域的研究幾乎沒有報道。

本文基于光纖光柵測量原理,設(shè)計了一種新型的光纖光柵溫度傳感器,采用一種新穎的封裝技術(shù),將光纖光柵封裝在一種有機聚合物基底中。經(jīng)過改進封裝結(jié)構(gòu),解決了光纖光柵溫度-應(yīng)變交叉敏感問題[14]。并進行了0～60 ℃的溫度特性理論與實驗分析,為光纖光柵溫度傳感器在衛(wèi)星內(nèi)部環(huán)境溫度的使用提供依據(jù)。

2 光纖光柵傳感理論分析

2.1 光纖光柵溫度傳感理論分析

光纖光柵溫度傳感原理是由于外界溫度的改變,引起光纖Bragg光柵(FBG)波長發(fā)生漂移。造成波長漂移的主要原因包括:光纖熱膨脹效應(yīng)、光纖的熱光效應(yīng)及光纖內(nèi)部的熱應(yīng)力引起的彈光效應(yīng)[15-16]。根據(jù)耦合模理論[17-19],光纖布拉格光柵(FBG)的中心反射波長λB與折射率和光柵周期的關(guān)系為:

λB=2neffΛ

(1)

只考慮溫度T的影響,對式(1)兩邊同時取自然對數(shù)然后再對T求導(dǎo)可得:

(2)

將式(2)簡化,用ξ表示光纖光柵熱光系數(shù),用α表示光纖光柵熱膨脹系數(shù)。因此,光纖光柵反射波長與溫度變化關(guān)系進一步可以得到:

(3)

令KT=λB(ξ+α),KT為光纖布拉格光柵溫度傳感的靈敏度系數(shù),由此可得:

ΔλB=KTΔT

(4)

式(4)為在沒有外力的作用下,裸光纖布拉格光柵中心波長漂移量與溫度變化的關(guān)系,因此,可以通過測量中心波長的漂移量算出溫度的變化量。

考慮到各種因素,實際應(yīng)用不利于直接使用裸光纖光柵進行溫度測試,因此需要進行光纖光柵的封裝。光纖布拉格光柵封裝后,封裝材料會極大地改變光纖布拉格的傳感特性。若用αs表示基底材料的熱膨脹系數(shù),則此時封裝后的光纖布拉格光柵溫度傳感器的溫度響應(yīng)可表示:

KT=ΔλB/ΔT=λB[ξ+α+(1-Pe)(αs-α)]

(5)

其中,Pe為光纖的有效彈光系數(shù),對于純石英光纖,Pe≈0.22。本文選用的封裝材料為一種有機聚合物,這種基底材料的熱膨脹系數(shù)遠遠大于光纖材料本身的熱膨脹系數(shù),即滿足αs?α,因此式(5)可簡化為:

KT=λB[ξ+(1-Pe)αs]

(6)

則光纖布拉格光柵溫度傳感器溫度靈敏系數(shù)KT是一個僅與基底材料熱膨脹特性有關(guān)的常數(shù)。

2.2 光纖光柵傳感器應(yīng)變傳遞理論分析

光纖光柵聚合物基底封裝溫度傳感器的縱向截面示意圖如圖1(a)所示。

圖1 光纖光柵傳感器應(yīng)變傳遞圖

假設(shè)傳感器所使用的材料都是線彈性的,且傳感器與被測件之間無相對滑移；傳感器各部分之間接觸良好,沒有相對滑移；粘貼光纖光柵對基底沒有影響；粘貼傳感器對被測件沒有影響；那么可以得到傳感器與粘接件之間的平均應(yīng)變關(guān)系,便可得到應(yīng)變傳遞系數(shù)。

傳感器軸向應(yīng)力分布示意圖如圖1(b)所示,對稱軸上光纖光柵圓心為xy軸坐標原點,其中x軸為光纖光柵軸向,y軸為豎直向下,τyxn為各相鄰部分間的剪切應(yīng)力,dσn為各部分之間的軸向應(yīng)力,對傳感器從上到下各組成部分進行編號,則最終可得到被測件表明施加的應(yīng)力傳遞到光纖光柵傳感器柵區(qū)所受到的應(yīng)力值。當外界環(huán)境溫度恒不變的情況下,光纖光柵溫度傳感引起的波長值保持不變,因此,可根據(jù)應(yīng)變傳遞理論模型得到光纖光柵溫度傳感器受到應(yīng)力引起的波長變化情況,從而可判斷光纖光柵溫度傳感器是否會受到應(yīng)力的影響。

3 光纖光柵溫度傳感器封裝設(shè)計與分析

3.1 傳感器封裝設(shè)計

為了解決光纖光柵溫度傳感面臨的溫度-應(yīng)變交叉敏感問題,必須采用合適的結(jié)構(gòu)和封裝技術(shù),這樣才可保證溫度監(jiān)測的時候傳感器與被測對象充分接觸,同時溫度傳感器的傳感特性不為被測對象的熱膨脹和應(yīng)力制約。結(jié)構(gòu)上,本文設(shè)計了一種方形結(jié)構(gòu)的光纖光柵溫度傳感器,如圖所示2(a)所示,在35 mm×5 mm×1.3 mm的金屬殼中心位置開27 mm×3 mm×0.8 mm方型槽用于放置基底,方槽兩端對稱位置各開2.5 mm×3 mm×0.5 mm小槽用于固定光纖保護套管。封裝上,本文選用了一種熱膨脹系數(shù)極大的聚合物作為基底材料進行封裝,可大大提高光纖光柵溫度傳感特性,如圖2(b)所示,首先將光纖光柵彎曲形成一定弧度,然后在光柵兩端用環(huán)氧樹脂膠進行固定在聚合物基底上,這樣保證光柵處于懸空松弛狀態(tài),然后,用硅橡膠將聚合物基底固定在傳感器外殼的底端,然后使用套管進行保護光纖,并用硅橡膠將其牢牢粘固,套管受到外力作用下不會傳遞到傳感器柵區(qū)部分,從而無外力影響溫度傳感器。最后,將溫度傳感元件封裝在外殼內(nèi)部進行保護,通過使用硅橡膠進行合蓋,并在外圍邊緣涂抹薄薄一層硅橡膠防止有縫隙。這種封裝形式,由于傳感器敏感元件光柵處于懸空狀態(tài),與基座分離,解決了溫度、應(yīng)變交叉問題。因此,該封裝方法以及傳感器結(jié)構(gòu)既不影響傳感特性,又具有一定的保護作用。

圖2 溫度傳感器封裝設(shè)計圖

溫度傳感器實物如圖3所示,傳感器的保護外殼選用的為7075T6航天專用鋁制材料,考慮到太空真空環(huán)境下熱量通過熱輻射進行傳遞,因此外表面進行了發(fā)黑處理。

圖3 光纖光柵溫度傳感器

3.2 傳感器有限元分析

有限元分析法被廣泛應(yīng)用在力學結(jié)構(gòu)測試范疇,通過對我們設(shè)計的理論模型進行有限元分析,可以首先理論上驗證模型的可行性。本文使用了應(yīng)力仿真軟件對這種封裝結(jié)構(gòu)的光纖光柵溫度傳感器進行了拉伸受力模擬仿真,受力云圖如圖4所示,通過將光纖固定在有機聚合物上表面,柵區(qū)處于懸空狀態(tài),考慮到衛(wèi)星內(nèi)部器件工作絕對溫度為50 ℃左右,因此給被測件在X、Y、Z三個方向各自施加了500 με,結(jié)果發(fā)現(xiàn)傳感器柵區(qū)部分受到的應(yīng)變幾乎沒有,因此,理論上可以認為這種結(jié)構(gòu)在被測件未受到極大形變的情況下,光纖光柵不會受到應(yīng)變的影響。

圖4 傳感器有限元受力云圖

4 實驗與分析

4.1 應(yīng)變驗證性實驗

為了驗證光纖光柵溫度傳感器在實際使用過程中不會受到應(yīng)變的影響,將溫度傳感器粘貼在45號鋼金屬拉伸件上表面的中間位置(如圖5放大部位),粘貼使用環(huán)氧樹脂膠,并在拉伸件此位置的背面部位粘貼應(yīng)變片,然后在MTS(Material Test System)拉伸試驗機上對傳感器進行縱向100～500 με反復(fù)拉伸試驗。試驗裝置如圖5所示,通過反復(fù)施加應(yīng)力,得到應(yīng)變片粘貼拉伸件位置處的應(yīng)變變化情況,同時光纖光柵溫度傳感器得到此位置處的波長變化情況,試驗環(huán)境溫度保持在24 ℃恒定不變,使用的溫度傳感器光柵初始狀態(tài)中心波長為1540.792 nm。

圖5 MTS機拉伸試驗現(xiàn)場圖

試驗結(jié)果表明,在實驗室恒定溫度下,經(jīng)過反復(fù)進行縱向施加應(yīng)力,拉伸件粘貼應(yīng)變片的位置應(yīng)變發(fā)生升降循環(huán)變化,而對應(yīng)的溫度傳感器的中心波長始終穩(wěn)定在±3 pm變化范圍內(nèi),因此,可以認為該溫度傳感器不受應(yīng)變的影響。

4.2 光纖光柵溫度傳感實驗

4.2.1 實驗儀器與過程

良好的重復(fù)性、線性度、一致性和靈敏度是對傳感器的基本要求。為了檢驗封裝后的光纖光柵溫度傳感器的波長溫度特性,進行了相關(guān)的溫度試驗。

在0～60 ℃范圍內(nèi),首先對光纖光柵溫度傳感器的重復(fù)性進行了溫度循環(huán)實驗。實驗采用恒溫水浴法,通過控制恒溫水浴槽的溫度,設(shè)置了20 ℃、40 ℃和55 ℃三個穩(wěn)定點進行升降溫循環(huán)實驗,每個溫度穩(wěn)定點設(shè)置穩(wěn)定10 min,共進行了9次完整的升降溫循環(huán)實驗。實驗裝置圖如圖6,選用了3個同一批次封裝的溫度傳感器,其中光纖光柵長度為10 mm,常溫下中心波長依次為1540.136 nm、1540.787 nm、1550.076 nm,并依次進行編號為1、2、3號。恒溫水浴槽為美國福祿克公司生產(chǎn)的深井臺式恒溫槽,型號為FLUKE 7381,分辨率為0.01 ℃,解調(diào)儀為FBGA光纖光柵解調(diào)儀模塊,分辨率為20 pm,精度為1 pm,掃描范圍為1526～1568 nm。

圖6 溫度重復(fù)性實驗裝置圖

然后在0～60 ℃范圍內(nèi),從0 ℃開始,以10 ℃為一個步進,進行了溫度標定實驗,溫度標定實驗裝置圖如圖7所示,實驗記錄下每個溫度點對應(yīng)的波長值,通過線性擬合得到不同傳感器的波長-溫度曲線。

圖7 溫度標定實驗

4.2.2 實驗結(jié)果與分析

首先將9次溫度升降循環(huán)采集的數(shù)據(jù)進行擬合,如圖8所示,橫坐標為采集數(shù)據(jù)時間,縱坐標為隨溫度變化的中心波長值,曲線中水平段為溫箱設(shè)置的三個溫度穩(wěn)定點穩(wěn)定10 min的波長數(shù)據(jù)。

為驗證重復(fù)性,通過Labview軟件計算出溫度穩(wěn)定點10 min水平段處對應(yīng)的中心波長值,最終可得到多次溫度循環(huán)一系列同一溫度下的多次波長值。對實驗數(shù)據(jù)進行記錄和保存。這三個溫度傳感器重復(fù)性如圖9所示,每一個傳感器的3個溫度穩(wěn)定點分別用Origin軟件進行曲線擬合,橫坐標為達到溫度穩(wěn)定點的次數(shù),縱坐標為每次達到溫度穩(wěn)定點對應(yīng)的中心波長值。

圖8 溫度傳感器9次溫度循環(huán)曲線

(a)1號 (b)2號

(a)3號

根據(jù)重復(fù)性數(shù)據(jù),以第一次溫度循環(huán)升溫的每個溫度穩(wěn)定點的中心波長值為基準值,后續(xù)每次到達同一個溫度點下的中心波長值都與對應(yīng)的第一次基準值做差處理,結(jié)果表明這3個溫度傳感器不同溫度下中心波長重復(fù)性最大偏差不超過2 pm,因此這種形式的光纖光柵溫度傳感器具有良好的重復(fù)性；

為驗證線性度,利用Origin數(shù)據(jù)處理軟件將這三個溫度傳感器不同溫度-波長分別進行了曲線擬合,如圖10所示；圖10(a)為1號傳感器的溫度標定曲線,線性度為0.99956,中心波長與溫度之間的關(guān)系為:

λ=0.00926T+1539.88189

(7)

圖10(b)為2號傳感器的溫度標定曲線,線性度為0.99977,中心波長與溫度之間關(guān)系為:

λ=0.0096T+1540.58046

(8)

圖10(c)為3號傳感器的溫度標定曲線,線性度為0.99824,中心波長與溫度之間關(guān)系為:

λ=0.00947T+1549.82786

(9)

圖10 溫度傳感器溫度-波長變化曲線

根據(jù)標定數(shù)據(jù)結(jié)果表明這種封裝形式的溫度傳感器具有良好的線性度,這3個溫度傳感器的溫度靈敏系數(shù)分別為9.26 pm/ ℃、9.60 pm/ ℃、9.47 pm/ ℃,與裸光纖溫度靈敏系數(shù)相接近。

4.3 振動試驗

衛(wèi)星在發(fā)射過程中會受到強烈的振動,為了保證傳感器在發(fā)射過程中及后續(xù)工作正常進行,則自身必須具備足夠的抗震能力。因此,對封裝的新型結(jié)構(gòu)溫度傳感器進行了相關(guān)的振動試驗測試,試驗現(xiàn)場如圖11所示,光纖光柵溫度傳感器盤成圓環(huán)狀,試驗方向為圓環(huán)的軸向和徑向,傳感器解調(diào)儀振動方向為X、Y、Z三軸向。振動包括正弦振動和隨機振動,正弦振動頻率范圍25～100 Hz,加速度15 g；隨機振動頻率范圍100～600 Hz。

圖11 振動試驗現(xiàn)場圖

試驗結(jié)果表明傳感器經(jīng)過振動后,外觀無裂紋、剝落等缺陷,經(jīng)過高低溫溫度循環(huán)測試,依舊具有良好的重復(fù)性和線性度。

4.4 熱真空試驗

為了檢驗這種新型結(jié)構(gòu)的溫度傳感器能否在太空環(huán)境下正常使用,對其進行了熱真空試驗來模擬太空環(huán)境進行溫度監(jiān)測,試驗現(xiàn)場裝置如圖12所示,傳感器和解調(diào)設(shè)備與之前使用的儀器設(shè)備保持不變。熱真空箱設(shè)置20 ℃、40 ℃、60 ℃三個溫度穩(wěn)定點,每個點穩(wěn)定1h,進行升降溫溫度循環(huán)試驗。

圖12 熱真空試驗現(xiàn)場圖

試驗結(jié)果表明,經(jīng)過熱真空溫度標定,光纖光柵溫度傳感器的重復(fù)性、線性度、靈敏度與前期水浴槽溫度標定結(jié)果基本一致。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種可應(yīng)用于衛(wèi)星內(nèi)部環(huán)境溫度監(jiān)測、可去除應(yīng)變影響的光纖光柵溫度傳感器。通過對傳感器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,采用新穎的封裝工藝,解決了溫度、應(yīng)變交叉敏感問題。

新型結(jié)構(gòu)的光纖光柵溫度傳感器同一批選取3個進行了0～60 ℃范圍內(nèi)的溫度特性標定。試驗結(jié)果表明,這種新型結(jié)構(gòu)的光纖光柵溫度傳感器具有良好的線性度、重復(fù)性和一致性。3個溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)依次為9.26 pm/℃、9.60 pm/℃、9.47 pm/℃,線性度均達到了0.998以上?？芍貜?fù)性為2 pm,精度為1 pm,溫度分辨率達到了0.1 ℃。溫度靈敏系數(shù)雖與裸光纖相接近,但其良好的重復(fù)性和線性擬合度、可靠的保護結(jié)構(gòu)保證了在實際應(yīng)用中溫度測量的準確度。通過進行振動試驗和熱真空試驗,結(jié)果表明溫度傳感器的溫度特性依舊非常良好,非常適合用于衛(wèi)星內(nèi)部儀器設(shè)備的溫度監(jiān)測。這種新型結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用在某小型衛(wèi)星溫控系統(tǒng)加熱片處的溫度監(jiān)測。

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