淺談管式光纖光柵溫度傳感器封裝與傳感特性研究

0 引言

1989年，Morey首次報道將光纖Bragg光柵（fiber Bragg grating, FBG）用作傳感元件[1]，此后FBG作為一種新型的光纖無源器件，在傳感領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。FBG具有耐高溫、抗干擾能力強、耐腐蝕、體積小、重量輕、靈活方便、壽命長等優(yōu)點[2-4]。但是裸光柵非常脆弱，實際工程應(yīng)用中需要根據(jù)具體的工作環(huán)境和測量要求對其進行適當(dāng)封裝。常見的封裝形式有貼片封裝[5]、管式封裝[6]、盒式封裝[7]等。金屬管式封裝形式具有結(jié)構(gòu)緊湊、強度高、導(dǎo)熱快、體積小、布設(shè)方便等優(yōu)勢，雖然該封裝方式早有報道，但封裝工藝對應(yīng)變不敏感的FBG傳感器溫敏特性的影響還鮮見報道[8]。

溫度作為最常見的物理量，F(xiàn)BG用于溫度傳感領(lǐng)域的實際應(yīng)用價值和前景具有非常明顯的優(yōu)勢[9-12]。本文分別討論了單端和雙端兩種金屬管式封裝方案，制作了單端探頭式FBG溫度傳感器和雙端管式增敏型FBG溫度傳感器，并對兩種FBG傳感器的溫度特性進行實驗研究，兩者均表現(xiàn)出應(yīng)力應(yīng)變不敏感特性。本研究有助于金屬型管式封裝FBG溫度傳感器的優(yōu)化及性能的進一步提高，改善FBG傳感器的溫度傳感特性。

1 FBG的封裝形式

本文設(shè)計了兩種不同方案對FBG進行封裝，兩種FBG溫度傳感器的封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于探頭式保護型封裝，選用外徑5 mm、內(nèi)徑4 mm、長50 mm的毛細鋼管作為保護套管，其材質(zhì)為304不銹鋼。為了將光柵固定在不銹鋼套管軸心位置，選用尺寸45 mm×3.5 mm×1 mm的銅片作為支撐件來固定光柵。FBG、支撐件銅片以及不銹鋼套管使用前均要清潔處理，采用無水乙醇擦拭，超聲清洗后晾干備用。

封裝前將環(huán)氧樹脂AB雙組份膠按比例混合調(diào)勻，靜置10 min至氣泡消失。將FBG的一端用環(huán)氧樹脂膠固定于銅片上，另一端為自由端，再將銅片放入不銹鋼套管中，保證銅片位于不銹鋼套管中心位置，其余部分用導(dǎo)熱硅脂填充，最后兩端再用環(huán)氧樹脂膠密封，封裝而成的探頭式溫度傳感器如圖1(a)所示。該封裝形式既合理地保護了光纖光柵，又保證了溫度的快速傳遞。封裝后的光柵Bragg中心波長為1 530.036 nm，與自然狀態(tài)中心波長一致。因FBG的一端始終為自由端，保證光柵處于自然松弛狀態(tài)，避免了外界應(yīng)力對其產(chǎn)生影響。

FBG的保護型封裝雖然可對溫度進行有效測量，但由于FBG本身熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)致此類FBG傳感器的溫度靈敏度不高。為了進一步提高其溫度靈敏度系數(shù)，采用下述的管式增敏型封裝。選擇外徑3 mm、長45 mm的實心鈹青銅柱，并在其表面刻蝕出長45 mm、寬1.5 mm、深1.5 mm的凹槽，將FBG固定于凹槽中心位置。為防止膠固化不均勻所導(dǎo)致的光柵啁啾現(xiàn)象，用環(huán)氧樹脂封裝FBG時須對FBG施加一定預(yù)緊力。

將埋有FBG的銅柱放入不銹鋼套管的內(nèi)部，保持其處于不銹鋼套管中心位置，并用導(dǎo)熱硅脂充分填充于銅柱和不銹鋼管間的空隙。最后在不銹鋼管兩端套入硅膠保護套，并用環(huán)氧樹脂膠將其密封，所得管式增敏型溫度傳感器如圖1(b)所示。所使用光柵的初始Bragg中心波長為1 548.907 nm，封裝后中心波長變?yōu)? 548.890 nm，可見封裝時施加的預(yù)緊力很好地抵消掉了環(huán)氧樹脂膠固化過程中的內(nèi)部應(yīng)力，將封裝前后Bragg中心波長的變化盡可能做到最小。將上述兩種封裝好的FBG傳感器放入電熱式鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進行熱退火處理，目的在于充分釋放環(huán)氧樹脂膠固化過程中所形成的內(nèi)部殘余應(yīng)力。

2 傳感原理與實驗結(jié)果分析

2.1 傳感原理

根據(jù)光纖耦合模理論，當(dāng)一束寬帶光入射到FBG上時，滿足Bragg條件的一部分光束會被反射回去。該光束的中心波長稱為光纖Bragg中心波長，記為λB，其基本表達式為：

對于純石英光纖，α~0.55×10-6/℃，ξ~6.67×10-6/℃。Bragg中心波長為1 530 nm的光柵的溫度靈敏度系數(shù)KT約為11.05 pm/℃。但是由于光纖制作工藝與光柵寫入工藝以及熱退火工藝的不同，裸光柵對溫度敏感特性也有所差別。

2.2 實驗儀器與標(biāo)定過程

兩個FBG溫度傳感器的溫度標(biāo)定實驗裝置如圖2所示。實驗中所用的信號采集與檢測設(shè)備為Bayspec公司的光纖光柵解調(diào)儀，其波長范圍為1 525~1 565 nm，波長分辨率為1 pm。將上述兩種FBG傳感器放置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9503A）中，該控溫箱的溫度測量精度為0.1 ℃。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)由端口1進入環(huán)行器，經(jīng)過端口2入射到兩個FBG傳感器上，經(jīng)其反射后的光束再次經(jīng)過端口2，最終從端口3出射后進入到解調(diào)模塊中。

溫度標(biāo)定實驗采用逐步升溫再逐步降溫的方法，將兩個光纖光柵敏感元件放置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中。恒溫鼓風(fēng)干燥箱的控溫范圍為40 ℃～80 ℃。升溫標(biāo)定實驗以40 ℃為溫度變化初始點，每5 ℃為一個溫度變化單位，待恒溫鼓風(fēng)干燥箱當(dāng)前溫度顯示值足夠穩(wěn)定后，記錄該溫度點所對應(yīng)的Bragg中心波長數(shù)據(jù)，直至升溫到80 ℃。降溫標(biāo)定實驗按照同樣步驟從80 ℃逐步降溫至40 ℃。如此反復(fù)進行6次循環(huán)實驗，所封裝FBG沒有出現(xiàn)封裝裂紋、老化脫落等問題。由于篇幅原因，原始實驗數(shù)據(jù)列表省略。

2.3 實驗結(jié)果和分析

探頭式保護型封裝的FBG溫度傳感器在40 ℃～80 ℃內(nèi)中心波長隨溫度變化的曲線如圖3所示。圖3(a)為升溫曲線，線性相關(guān)系數(shù)為0.999 91，其波長與溫度的線性擬合方程為：

探頭式保護型封裝FBG溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)平均值為9.86 pm/℃。盡管其溫度靈敏度系數(shù)與裸光柵一致，但其出色的線性擬合度保證了在實際應(yīng)用中對溫度測量的準(zhǔn)確性。單端探頭式保護封裝工藝簡單，制作快捷，方便大批量生產(chǎn)且易于保證每支傳感器的一致性。

管式增敏封裝的FBG溫度傳感器在40 ℃～80 ℃時中心波長隨溫度變化的曲線如圖4所示。圖4(a)為升溫曲線，線性相關(guān)系數(shù)為0.999 21，其波長與溫度的線性擬合方程為：

管式增敏封裝FBG溫度傳感器的溫度靈敏系數(shù)平均值為29.97 pm/℃，達到裸光柵相應(yīng)值的3倍左右。對比圖3與圖4可以看出，增敏封裝的線性擬合度有所下降，但仍能滿足高于0.999的要求。提高靈敏度系數(shù)的同時保證線性擬合度是至關(guān)重要的，經(jīng)分析，改變封裝方式而降低的線性擬合度可能是以下幾個方面造成的：

(1)鈹青銅柱本身質(zhì)地不均勻，內(nèi)部雜質(zhì)的不均勻分布造成其受熱膨脹體積變化不勻稱；

(2)環(huán)氧樹脂膠填涂不均勻，固化后體積不勻稱造成溫度變化時光柵各部分受力不勻稱；

(3)膠體本身仍有氣泡或者涂膠過程中引入氣泡，氣泡本身會吸收一部分由熱脹冷縮產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，使其不能很好地作用在光纖光柵上。

以上問題的存在均會引起B(yǎng)ragg中心波長的數(shù)值變化，從而導(dǎo)致FBG傳感器線性擬合度下降。

探頭式保護型封裝FBG溫度傳感器在每個溫度測量點的Bragg中心波長與該點波長平均值相差最大為3 pm，表明重復(fù)性良好，如圖5所示。

管式增敏封裝FBG溫度傳感器在每個溫度測量點的Bragg中心波長與該點波長平均值相差最大為11 pm，除此以外上述波長差值均在8 pm之內(nèi)，如圖6所示。這說明，隨著FBG傳感器的溫度靈敏度的提升，在同條件下感知溫度波動的能力有相應(yīng)提高。

對于某種已封裝好的FBG溫度傳感器，其測溫精度和分辨率取決于所用的解調(diào)設(shè)備。本文中所采用Bayspec解調(diào)儀的分辨率為1 pm，精度為7 pm。因此，探頭式保護型封裝FBG傳感器的溫度分辨率和精度分別為0.101 42 ℃和0.709 94 ℃；管式增敏封裝FBG傳感器的溫度分辨率和精度分別為0.033 37 ℃和0.233 57 ℃。

上述兩種FBG溫度傳感器在溫度保持不變情況下，通過人為施加一定外部應(yīng)力，其Bragg中心波長并未觀測到漂移，這表明兩種管式封裝的FBG傳感器在一定范圍內(nèi)均對應(yīng)力應(yīng)變不敏感。

3 結(jié)論

本文采用保護封裝和增敏封裝方式，制作了兩款管式FBG溫度傳感器。在40 ℃～80 ℃溫度區(qū)間研究了它們的溫度特性，其溫度靈敏系數(shù)分別為9.86 pm/℃和29.97 pm/℃，保護封裝FBG傳感器的溫度分辨率為0.101 42℃，精度為0.709 94 ℃；增敏封裝FBG傳感器的溫度分辨率為0.033 37 ℃，精度為0.233 57 ℃。兩者的線性擬合度均達到0.999以上。實驗表明，兩款FBG 傳感器重復(fù)性良好，且無遲滯現(xiàn)象，完全可用于實際工程中，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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編輯：jq