一種高靈敏度光纖高溫傳感器

譚躍剛，馬貝貝，俞 強(qiáng)

(1.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430070；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064)

0 引言

高溫測(cè)量在航空航天、石油、材料、冶金等工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，光纖傳感器以其精度高、分辨率高、體積小、抗腐蝕和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于溫度、應(yīng)變，以及壓力等物理量測(cè)量中[1-2]。

目前高溫測(cè)量方面常用的光纖類傳感器有光纖光柵(FBG)溫度傳感器和光纖F-P溫度傳感器。普通光纖光柵采用紫外刻寫方式，耐高溫性能差，長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫環(huán)境下會(huì)逐漸衰退直至完全擦除，極大地限制了光纖光柵在高溫環(huán)境中的應(yīng)用[3]，其溫度上限為300 ℃，溫度靈敏度為12.2 pm/℃[4]。在普通載氫光纖上優(yōu)化摻雜濃度刻寫的再生光纖布拉格光柵可耐1 000 ℃高溫，溫度靈敏度為15 pm/℃[5]。用飛秒激光刻寫的飛秒光纖布拉格光柵也可承受1 000 ℃高溫[6]，溫度靈敏度為12.98 pm/℃[7]。通過特殊方式刻寫的光纖光柵雖可耐高溫，但制備過程復(fù)雜，成本較高，且溫度靈敏度不高。

光纖F-P溫度傳感器由于無需刻寫光柵，制作過程較光纖光柵簡(jiǎn)單，成本較低，同時(shí)由于傳感原理不同，溫度靈敏度比光纖光柵傳感器高。在單模光纖端面依次熔接一段大芯徑空芯光纖和一段研磨的多模光纖膜片而構(gòu)成的微型膜結(jié)構(gòu)全光纖F-P傳感器可耐650 ℃，溫度靈敏度為1.029 nm/℃[8]。藍(lán)寶石光纖F-P傳感器可耐1 080 ℃，溫度靈敏度為2.973 nm/℃[9]。光子晶體光纖F-P干涉式溫度傳感器測(cè)量溫度可達(dá)1 100 ℃，溫度靈敏度為29.4 nm/℃[10]。由此可看出，光纖F-P溫度傳感器較光纖光柵溫度傳感器靈敏度有較大的提升，但每℃變化量最多仍然只有幾十nm。

基于此，本文提出了一種采用石英毛細(xì)管和不銹鋼管組合結(jié)構(gòu)的光纖F-P高溫傳感器，可極大地提高光纖溫度傳感器的靈敏度，滿足實(shí)際測(cè)量需要。此傳感器利用熱膨脹系數(shù)較高的不銹鋼，可使溫度靈敏度達(dá)到812 nm/℃，并具有良好的線性關(guān)系，是一種高靈敏度高溫傳感器。

1 光纖F-P高溫傳感器模型

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)及要求

光纖F-P高溫傳感器原理和結(jié)構(gòu)如圖1所示，將2段光纖進(jìn)行同軸對(duì)準(zhǔn)，封裝在石英毛細(xì)管中，再將石英毛細(xì)管封裝在不銹鋼管中。利用不銹鋼管的熱膨脹帶動(dòng)石英毛細(xì)管的軸向移動(dòng)，進(jìn)而造成光纖F-P腔長(zhǎng)的變化。

(a)傳感器原理圖

(b)傳感器結(jié)構(gòu)圖圖1 光纖F-P高溫傳感器原理和結(jié)構(gòu)圖

由圖1(a)可知，當(dāng)入射光從入射光纖射入，傳輸至入射光纖與空氣的接觸面時(shí)，由于光纖與空氣的折射率不同，會(huì)發(fā)生菲尼爾反射，一部分光反射回入射光纖中，另一部分光沿著空氣繼續(xù)向前傳播，傳輸至空氣與反射光纖的接觸面時(shí)再次發(fā)生菲尼爾反射，反射回入射光纖中。這2束反射光存在光程差，將進(jìn)行干涉形成干涉光譜，即2根光纖在石英毛細(xì)管內(nèi)的空氣腔就構(gòu)成了一個(gè)F-P腔。當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，不銹鋼管、石英毛細(xì)管和光纖都會(huì)發(fā)生膨脹，但由于不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)都比石英毛細(xì)管和光纖大[11]，膨脹主要以不銹鋼為主。由熱膨脹造成空氣腔長(zhǎng)的變化，使得2束干涉光的光程差發(fā)生變化，造成干涉光譜的變化，此時(shí)通過解調(diào)干涉光譜的變化就能得到溫度的變化。

光纖F-P高溫傳感器信號(hào)解調(diào)的關(guān)鍵點(diǎn)在于光譜信號(hào)的穩(wěn)定性，這就對(duì)傳感器制備提出了要求，若2段光纖端面不平整或不清潔，光譜信號(hào)的規(guī)律性將降低，甚至看不到干涉波現(xiàn)象。在制備過程中應(yīng)保證2段光纖端面切割平整，并在穿入毛細(xì)管過程中盡量避免端面與毛細(xì)管壁的碰撞或接觸，以保證端面的清潔，提高制備成功率。

1.2 傳感模型

光纖F-P高溫傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(b)所示，由于光纖和石英毛細(xì)管的熱膨脹系數(shù)相近，在圖1(b)中即可將2種材料近似看作為一種材料。圖中L為傳感器的標(biāo)距，G為傳感器的初始腔長(zhǎng),在傳感器不受外力作用下，兩者關(guān)系可表示為

G=L-L1-L2

(1)

當(dāng)外界溫度變化ΔT時(shí)，L、L1、L2的長(zhǎng)度變化只與溫度有關(guān)，此時(shí)的F-P腔長(zhǎng)可表示為

(2)

假設(shè)不銹鋼的熱膨脹系數(shù)為α，光纖的熱膨脹系數(shù)為β，根據(jù)材料的線膨脹公式則有：

L′=L(1+α·ΔT)

(3)

(4)

(5)

聯(lián)合式(1)～式(5)，可以得到腔長(zhǎng)的變化量△G為

ΔG=G′-G=[L(α-β)+G·β]·ΔT

(6)

則傳感器的溫度靈敏度S可表示為

S=ΔG/ΔT=L(α-β)+G·β

(7)

由式(7)可知，該傳感器溫度靈敏度與傳感器的標(biāo)距、初始腔長(zhǎng)、不銹鋼和石英的熱膨脹系數(shù)均有關(guān)。

2 光纖F-P高溫傳感器基本特性

圖2 光纖F-P高溫傳感器實(shí)物圖

2.1 靈敏度

靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)定工作時(shí)，其輸出量變化值ΔY與輸入量變化值ΔX的比值，靈敏度公式如式(7)所示。

查閱機(jī)械手冊(cè)可知，304不銹鋼在不同溫度范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)是不同的，其在不同溫度范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)如表1所示。

為盡量保證傳感器的使用壽命，考慮到石英毛細(xì)管的軟化溫度點(diǎn)為750 ℃，故該傳感器的量程上限確定為600 ℃。在600 ℃范圍內(nèi)304不銹鋼的熱膨脹系數(shù)雖不同，但相差不大，取平均值17.4×10-6/℃作為該傳感器中不銹鋼的熱膨脹系數(shù)。

表1 熱膨脹系數(shù)表

石英毛細(xì)管的熱膨脹系數(shù)本身較小且隨溫度變化不大，為5.5×10-7/℃。將上述標(biāo)距、初始腔長(zhǎng)和熱膨脹系數(shù)數(shù)值代入式(7)，可得該傳感器的理論溫度靈敏度為842 nm/℃。

若按實(shí)際溫度下不銹鋼的熱膨脹系數(shù)對(duì)傳感器腔長(zhǎng)G進(jìn)行理論擬合，所得數(shù)據(jù)如表2所示，理論腔長(zhǎng)與溫度變化關(guān)系如圖3所示。

表2 理論腔長(zhǎng)與溫度關(guān)系

圖3 理論腔長(zhǎng)與溫度變化圖

圖3中每個(gè)腔長(zhǎng)點(diǎn)數(shù)值是根據(jù)每個(gè)溫度下不銹鋼不同的熱膨脹系數(shù)計(jì)算而得，比用平均熱膨脹系數(shù)計(jì)算的理論溫度靈敏度數(shù)值要高，為894 nm/℃。

2.2 線性度

校準(zhǔn)曲線與規(guī)定直線的吻合程度稱為線性度[12]。衡量傳感器的線性程度需要將校準(zhǔn)曲線與標(biāo)準(zhǔn)直線進(jìn)行比較，求出它們之間的最大偏差，并用其對(duì)額定輸出的相對(duì)百分比來表示：

δL=±ymax/yES×100%

(8)

式中：δL為線性度(非線性誤差)；ymax為輸出實(shí)際值與理論值的最大偏差；yES為輸出的滿量程(即最大上限與最小下限)之差。

結(jié)合擬合曲線與表2中各溫度點(diǎn)下的腔長(zhǎng)值，可知輸出實(shí)際值與理論值的最大偏差點(diǎn)在600 ℃時(shí)，最大偏差為13.800 74 μm，輸出的滿量程為610.569 3 μm，則該傳感器的理論線性度為2.26%。

2.3 遲滯誤差

遲滯誤差反映的是傳感器在正、反行程期間輸入/輸出曲線不重合的程度，即對(duì)應(yīng)的是同一個(gè)輸入量的情況下，正反行程輸出值之間的最大差值。其大小可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定，其值以測(cè)量上限值輸出的百分?jǐn)?shù)表示

δH=Δymax/yES×100%

(9)

式中：δH為遲滯誤差；Δymax為在同一次測(cè)量中，反行程校準(zhǔn)曲線與正行程校準(zhǔn)曲線偏差的最大值。

2.4 重復(fù)性誤差

重復(fù)性誤差是指在同一測(cè)量條件下，對(duì)于在輸入值控制相同時(shí)，且按同一方向連續(xù)多次測(cè)量，得到的輸出值的相互一致程度，其大小可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定，其計(jì)算公式可表示為

δR=Δymax/yES×100%

(10)

式中：δR為重復(fù)性誤差；Δymax為遲滯誤差正反行程中偏差較大的。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)

圖4為光纖F-P高溫傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖和實(shí)物圖。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由PC機(jī)、解調(diào)儀、光纖F-P高溫傳感器和管式高溫爐組成。

其中，解調(diào)儀為SM-125(Micron Optics Inc)，它包括一個(gè)掃描激光器和高精度光譜儀，光源的掃描范圍為1 510～1 590 nm，波長(zhǎng)分辨率為5 pm，采樣頻率為2 Hz。管式高溫爐最高溫度可升達(dá)1 200 ℃，最大升溫速率為100 ℃/min,溫度控制精度為±1 ℃。

(a)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖

(b)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖圖4 光纖F-P高溫傳感器實(shí)驗(yàn)圖

首先，將光纖F-P高溫傳感器放置在管式高溫爐中，蓋好高溫爐緊密蓋，并在兩端伸出的爐管中放置好隔熱陶瓷，盡量減少熱量的流失，保證溫度的穩(wěn)定性。然后將光纖F-P高溫傳感器連接至解調(diào)儀采集光譜信號(hào)，解調(diào)儀連接至PC機(jī),通過PC機(jī)解調(diào)出傳感器的實(shí)時(shí)腔長(zhǎng)信息。實(shí)驗(yàn)過程為給管式高溫爐進(jìn)行程序設(shè)定，使其從室溫分別升溫至目標(biāo)溫度點(diǎn)，由于用于制備傳感器的石英毛細(xì)管軟化溫度為750 ℃，為保證傳感器的使用壽命和穩(wěn)定性，目標(biāo)溫度點(diǎn)上限設(shè)置為600 ℃，溫度間隔為100 ℃。管式高溫爐從室溫開始每10 min升溫 100 ℃，并在每個(gè)目標(biāo)溫度點(diǎn)下恒溫保持15 min，即設(shè)置了6個(gè)目標(biāo)溫度點(diǎn)，100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃和600 ℃。當(dāng)管式高溫爐的溫度顯示界面較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定且與目標(biāo)溫度值一致時(shí)，記錄好當(dāng)前目標(biāo)溫度點(diǎn)下解調(diào)儀的數(shù)據(jù)，并通過PC機(jī)解調(diào)出光纖F-P溫度傳感器的實(shí)時(shí)腔長(zhǎng)。最后當(dāng)管式高溫爐的溫度上升至600 ℃并記錄好腔長(zhǎng)數(shù)據(jù)后，再做溫度回程實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

將該光纖F-P高溫傳感器按上述方法循環(huán)3次，所得數(shù)據(jù)經(jīng)處理后如圖5所示。

圖5 光纖F-P高溫傳感器溫度與腔長(zhǎng)關(guān)系圖

由圖5可以看出，光纖F-P高溫傳感器溫度與腔長(zhǎng)呈現(xiàn)出良好的線性相關(guān)關(guān)系。對(duì)于3次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，先利用最小二乘法分別對(duì)每一組循環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，在第一次循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，傳感器的擬合曲線表達(dá)式為

y1=0.824 2x+86.796 47

(11)

線性相關(guān)系數(shù)為R1=0.994 28；在第二次循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，傳感器的擬合曲線表達(dá)式為

y2=0.802 48x+87.813 13

(12)

線性相關(guān)系數(shù)為R2=0.995 51；在第三次循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，傳感器的擬合曲線表達(dá)式為

y3=0.791 47x+83.890 3

(13)

線性相關(guān)系數(shù)R3=0.995 29。將圖5中的6組數(shù)據(jù)求取平均值，并采用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖6所示。

圖6 光纖F-P高溫傳感器溫度與腔長(zhǎng)線性擬合曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在600 ℃量程范圍內(nèi)，該溫度傳感器的擬合曲線表達(dá)式為

y=0.812 12x+84.669 19

(14)

線性相關(guān)系數(shù)R=0.996 38。由擬合曲線可知，該傳感器的靈敏度為812 nm/℃，與理論值842 nm/℃相近。

將擬合曲線值與6組數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算線性度?？芍?00 ℃時(shí)兩者存在最大偏差，為12.080 19 μm，輸出的滿量程為571.941 2 μm，則該傳感器的線性度為2.112%，與理論值相符。

遲滯誤差是正反行程最大偏差與滿量程的比值，此次實(shí)驗(yàn)共有3次正反行程，最大偏差點(diǎn)分別為22.031 9 μm、11.301 μm和7.777 5 μm，對(duì)應(yīng)的滿量程分別為589.464 7 μm、575.400 4 μm和568.564 4 μm，則3次實(shí)驗(yàn)的遲滯誤差分別為3.738%、1.964%和1.368%。

由重復(fù)性誤差公式(10)和遲滯誤差可知，該傳感器的重復(fù)性誤差為3.738%。

為驗(yàn)證該傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和可重復(fù)性。在該傳感器制作完成并進(jìn)行上述循環(huán)實(shí)驗(yàn)的1個(gè)月后，再次對(duì)該傳感器進(jìn)行了溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建和實(shí)驗(yàn)過程與上述循環(huán)實(shí)驗(yàn)相同，結(jié)果如圖7所示。

圖7 傳感器穩(wěn)定性測(cè)試

從循環(huán)實(shí)驗(yàn)可以看出，該傳感器的實(shí)驗(yàn)靈敏度為812.12 nm/℃，說明該光纖F-P溫度傳感器能達(dá)到增加溫度靈敏度的要求。從穩(wěn)定性測(cè)試可以看出，該傳感器可靠性良好，可重復(fù)使用，滿足實(shí)際需求。綜上，該傳感器是一個(gè)高靈敏度、高溫、高可靠性的溫度傳感器，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)束語

針對(duì)目前光纖溫度傳感器靈敏度不高的問題開展了研究，設(shè)計(jì)了一種不銹鋼管和石英毛細(xì)管組合結(jié)構(gòu)的高靈敏度光纖F-P高溫傳感器，分別從原理和結(jié)構(gòu)上分析了該光纖F-P高溫傳感器的溫度靈敏度、線性度等傳感特性，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該光纖F-P高溫傳感器能在600 ℃溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，并使溫度靈敏度達(dá)到812 nm/℃，線性度為2.112%，遲滯誤差為3.738%，重復(fù)性誤差為3.738%，極大地提高了光纖溫度傳感器的靈敏度，達(dá)到了預(yù)期的要求。參考文獻(xiàn)：

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