張學(xué)智，祝連慶，張蔭民，劉 鋒，郭陽(yáng)寬

(北京信息科技大學(xué) 光電信息與儀器北京市工程研究中心，北京100192)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，石油資源的需求量日益增大［1］。對(duì)大型容器的溫度、壓力、液位等物理參量的監(jiān)控十分必要［2－3］。防止火災(zāi)的發(fā)生，避免經(jīng)濟(jì)損失以及保證工作人員的人身安全，對(duì)溫度參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控至關(guān)重要。傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器在使用中發(fā)熱嚴(yán)重，帶來(lái)火災(zāi)隱患，而且無(wú)法在電磁干擾及化學(xué)腐蝕環(huán)境下正常工作。光纖本身的材料就是電絕緣介質(zhì)，安全可靠，光纖光柵傳感器能夠很好地解決以上問題［4－6］。

光纖具有強(qiáng)抗干擾能力，靈敏度高，體重輕，體積小，復(fù)用能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多參量的分布式測(cè)量。光纖Bragg光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)傳感技術(shù)采用波長(zhǎng)編碼，不受到光強(qiáng)變化與光纖彎曲損耗等其他因素影響［7－11］。然而，光柵本身非常纖細(xì)脆弱，F(xiàn)BG傳感器的工作環(huán)境往往十分惡劣，因此，必須對(duì)光柵進(jìn)行有效封裝，才能滿足不同工程的實(shí)際需求［12－13］。FBG中心波長(zhǎng)易受溫度與應(yīng)變參量交叉影響，這成為光纖光柵傳感器在封裝制作中的難題［14］。

1995年，Inoue等人［15］首先將FBG粘貼在鋁片上;同年，G．W．Yoffe等人［16］提出了采用二氧化硅毛細(xì)管與鋁合金毛細(xì)管雙層封裝FBG的方法。國(guó)內(nèi)也在光纖光柵傳感方面進(jìn)行了諸多研究，張燕君等人［17］提出了一種FBG的毛細(xì)鋼管封裝工藝;于秀娟等人［18］采用鈦合金對(duì)FBG進(jìn)行片狀封裝，提出了FBG鈦合金片封裝工藝。但是，F(xiàn)BG溫度傳感器不僅僅要考慮到溫度靈敏系數(shù)，還需要根據(jù)其工程環(huán)境對(duì)封裝材料與方法進(jìn)行調(diào)整。在強(qiáng)腐蝕環(huán)境下，傳統(tǒng)金屬封裝的傳感器無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間健康工作，而聚四氟乙烯材料具有抗酸抗堿、抗各種有機(jī)溶劑的特點(diǎn)，幾乎不溶于所有的溶劑。同時(shí)，聚四氟乙烯又具有耐高溫的特點(diǎn)。因此，利用聚四氟乙烯材料封裝FBG溫度傳感器研究有著深遠(yuǎn)的意義。

2 光纖光柵溫度傳感的理論分析

根據(jù)麥克斯韋的經(jīng)典方程，利用光纖耦合模理論，并結(jié)合光纖光柵傳輸模式的正交關(guān)系，可以得到光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)的基本表達(dá)式為:

式中，neff為光纖芯區(qū)的有效折射率;Λ為光纖光柵周期。光纖光柵周期Λ可以通過調(diào)整兩束相干紫外光的相對(duì)角度而得以改變，利用這樣的方法，就可獲得不同中心波長(zhǎng)的光纖Bragg光柵。

對(duì)中心波長(zhǎng)的基本表達(dá)式(1)取微分，可得到光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)漂移量ΔλB的表達(dá)式為:

式中，ΔΛ表示溫度變化引起的受熱膨脹或者是軸向應(yīng)變對(duì)周期產(chǎn)生了影響;Δneff表示溫度變化引起的熱光效應(yīng)或者是軸向應(yīng)變引起的彈光效應(yīng)對(duì)光纖纖芯有效折射率產(chǎn)生了影響。

再對(duì)基本表達(dá)式(1)對(duì)溫度T求導(dǎo)數(shù)，得:

用表達(dá)式(3)兩端分別除以基本表達(dá)式(1)兩端，得:

表達(dá)式(5)為光纖Bragg光柵溫度傳感的基礎(chǔ)表達(dá)式。不難看出，在確定光纖光柵的材料后，材料的系數(shù)可以看成常數(shù)。理論上，封裝出的溫度傳感器會(huì)得到很好的線性輸出。

表達(dá)式(6)為光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)關(guān)于溫度的關(guān)系式，通過監(jiān)測(cè)反射波長(zhǎng)值的變化，可以計(jì)算出實(shí)測(cè)環(huán)境溫度的變化。對(duì)于石英光纖，α～0．5×10－6/℃，ξ～6．7×10－6/℃。由此可估算出，在常溫下光纖Bragg光柵的溫度靈敏度系數(shù)為7．2×10－6/℃。對(duì)于1．5μm系列的光纖光柵，單位溫度變化導(dǎo)致光柵中心波長(zhǎng)漂移量為0．0108 nm/℃，由于摻雜成分與濃度的不同，各類光纖的膨脹系數(shù)α和熱光系數(shù)ξ也有較大差別。因此，溫度靈敏度也會(huì)相差很大［15］。

3 光纖光柵溫度傳感的實(shí)驗(yàn)研究

3．1 選材封裝

實(shí)驗(yàn)中所使用的FBG涂覆層主要成分為環(huán)氧樹脂、固化劑以及填充劑。并不能滿足在強(qiáng)腐蝕環(huán)境下中工作，需要對(duì)其保護(hù)性封裝。

聚四氟乙烯具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性、不粘性、電絕緣性和良好的抗老化耐力，是一種性能優(yōu)異的工程塑料，因此將其作為基底材料。聚四氟乙烯具有耐高溫的特點(diǎn)，它的摩擦系數(shù)極低，可應(yīng)用于性能要求較高的耐腐蝕的管道、容器等。然而，其突出的不粘性，限制了其工業(yè)上的應(yīng)用。它雖然是極好的防粘材料，但這種性能又使得它與其他物件的表面粘合極為困難。由此可見，粘接之前對(duì)其表面進(jìn)行預(yù)處理是十分必要的。此FBG溫度傳感器采用的預(yù)處理方式是化學(xué)試劑處理，粘接使用的膠粘劑均為聚四氟乙烯樹脂膠。

FBG溫度傳感器封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)尺寸為55 mm×1．5 mm×5 mm。封裝前的準(zhǔn)備工作十分必要，聚四氟乙烯樹脂膠需要按比例調(diào)勻，靜止至氣泡消失;光柵部分與襯底頂蓋需要進(jìn)行清潔處理。乙醇擦拭，超聲清洗，待表面晾干進(jìn)行穿套。對(duì)FBG施加一定的預(yù)緊力，以防止膠粘劑固化收縮導(dǎo)致光纖光柵發(fā)生啁啾現(xiàn)象。襯底內(nèi)側(cè)利用化學(xué)試劑進(jìn)行表面活化處理，在目標(biāo)區(qū)域點(diǎn)膠。封裝固化后，還要對(duì)其進(jìn)行熱退火，這是為了充分釋放膠粘劑的內(nèi)部應(yīng)力，徹底去除啁啾現(xiàn)象對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)的不良影響。

圖1 光纖光柵溫度傳感器封裝結(jié)構(gòu)Fig．1 Encapsulating structure of FBG temperature sensor

3．2 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

FBG溫度傳感實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。采用Bayspec公司生產(chǎn)的FBG解調(diào)儀作為信號(hào)采集設(shè)備，掃描頻率為100 Hz，掃描范圍為1519～1570 nm，波長(zhǎng)分辨率為1 pm，解調(diào)儀輸出C波段寬帶光。封裝處理前FBG反射率為90%，中心波長(zhǎng)為1541．038 nm，經(jīng)過封裝處理后FBG中心波長(zhǎng)為1541．042 nm。選用Lightcomm公司生產(chǎn)的3端口環(huán)行器連接解調(diào)儀與FBG傳感器;寬帶光源由環(huán)行器1端口耦合進(jìn)入環(huán)行器，由2端口注入FBG傳感器，反射光經(jīng)由2端口和3端口輸入解調(diào)儀。FBG敏感元件放置于型號(hào)為9503A的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，其測(cè)量精度為0．1℃。

圖2 FBG溫度傳感實(shí)驗(yàn)裝置Fig．2 Schematic diagram of FBG temperature sensing

將待測(cè)FBG溫度傳感器放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，溫度范圍設(shè)定在35～80℃。進(jìn)行6組升溫降溫的循環(huán)實(shí)驗(yàn)，升溫以35℃作為溫度起始點(diǎn)，每5℃作為一個(gè)溫度間隔，并保持10 min左右，升溫至80℃后開始降溫，同樣每5℃作為一個(gè)溫度間隔，并保持10 min左右，使鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)溫度穩(wěn)定，光柵伸縮均勻，記錄每5℃變化下FBG溫度傳感器的中心波長(zhǎng)值。

3．3 實(shí)驗(yàn)分析

FBG溫度傳感器在35～80℃的中心波長(zhǎng)隨溫度變化的曲線如圖3所示。圖3(a)為升溫曲線，F(xiàn)BG傳感器的溫度靈敏度系數(shù)為9．93 pm/℃;圖3(b)為降溫曲線，溫度靈敏度系數(shù)為9．92 pm/℃，與理論上裸光柵基本一致。而且，Bragg中心波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系呈現(xiàn)出十分良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0．999以上，證明封裝后光柵保持拉直狀態(tài)，很好避免了光柵彎曲引起的啁啾現(xiàn)象。FBG傳感器自然放置于鼓風(fēng)干燥箱，免受一切外界應(yīng)力應(yīng)變對(duì)其的影響，但鼓風(fēng)干燥箱工作時(shí)自身振動(dòng)會(huì)對(duì)波長(zhǎng)的漂移值產(chǎn)生一定的影響。每個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)量都會(huì)受到振動(dòng)帶來(lái)的波長(zhǎng)漂移，在鼓風(fēng)干燥箱工作穩(wěn)定后，振動(dòng)情況基本保持恒定，Bragg中心波長(zhǎng)受到振動(dòng)而導(dǎo)致的漂移量也相對(duì)穩(wěn)定，這對(duì)數(shù)據(jù)擬合線性度的影響并不明顯。但是，無(wú)論在升溫或降溫的過程中，60℃時(shí)反射峰值明顯偏離擬合曲線。經(jīng)分析，可能是由于鼓風(fēng)干燥箱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化致使設(shè)備發(fā)生共振現(xiàn)象，F(xiàn)BG傳感器受到比其他溫度測(cè)量點(diǎn)更為強(qiáng)烈的振動(dòng)，致使波長(zhǎng)漂移值發(fā)生了明顯變化。

圖3 FBG溫度傳感器在35～80℃時(shí)中心波長(zhǎng)隨溫度變化的曲線Fig．3 Change curve of center wavelength of FBG temperature sensor against the temperature from 35℃to 80℃

標(biāo)定過程中使用的光纖Bragg光柵解調(diào)儀的分辨率與精度決定著光纖光柵溫度傳感器的分辨率與精度。Bayspec公司的光纖光柵解調(diào)儀的分辨率為1 pm，精度為7 pm。而光纖光柵溫度傳感器的中心波長(zhǎng)隨溫度的變化是9．93 pm/℃，因此，光纖光柵溫度傳感器的分辨率為0．10070℃，精度為0．70493℃。

聚四氟乙烯封裝的FBG溫度傳感器的溫度傳感靈敏度系數(shù)KT的平均值為9．93 pm/℃，而且滯后性良好。為了檢驗(yàn)FBG溫度傳感器的重復(fù)性，對(duì)每次升溫的Bragg中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)記錄如圖4所示。從圖中可見，每個(gè)溫度點(diǎn)的Bragg中心波長(zhǎng)基本保持一致。不難看出，55～60℃過程中中心波長(zhǎng)變化量最大，60～65℃過程中變化量最小，而且重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均體現(xiàn)出這一問題。經(jīng)分析，很大可能是由于鼓風(fēng)干燥箱共振導(dǎo)致?？傮w來(lái)說(shuō)，封裝后的FBG傳感器是具有很好重復(fù)性的。

圖4 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig．4 Experiment of data of repeatability

圖5 中心波長(zhǎng)最大值與最小值的差值曲線Fig．5 Curve of variation of center wavelength of the maximum and minimum values

由圖5可見，大量反復(fù)實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)Bragg中心波長(zhǎng)相差并不明顯。而差值最大的點(diǎn)還是出現(xiàn)在60℃，分析得出鼓風(fēng)干燥箱的共振現(xiàn)象很可能造成中心波長(zhǎng)穩(wěn)定度降低，差值變大。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析證明了FBG溫度傳感器設(shè)計(jì)的可行性。與裸光柵基本一直的溫度靈敏度系數(shù)，線性度達(dá)到0．999，0．1℃的分辨率，0．7℃的精度以及良好的重復(fù)性，無(wú)遲滯現(xiàn)象，這些參數(shù)基本滿足工程使用中的需求。

4 結(jié)論

光纖光柵本身比較脆弱，容易折斷。為了長(zhǎng)時(shí)間處于極端惡劣環(huán)境下工作，本文采用耐腐蝕材料來(lái)制作FBG溫度傳感器，襯底和膠都選用聚四氟乙烯材料。通過鼓風(fēng)干燥箱對(duì)FBG傳感器進(jìn)行溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過多組數(shù)據(jù)對(duì)比研究，結(jié)果表明，F(xiàn)BG溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)為9．93 pm/℃，與裸光纖理論值一致，線性度相關(guān)系數(shù)達(dá)到0．999，對(duì)溫度的分辨率為0．10070℃，精度為0．70493℃。良好的重復(fù)性與滯后性保證了其長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境下對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著光纖光柵相關(guān)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)溫度靈敏度要求的不斷提高，非金屬耐腐蝕封裝并不能滿足高精度測(cè)量的需求，保護(hù)性封裝向增敏封裝的改進(jìn)將成為產(chǎn)品的發(fā)展方向。本文作者正在針對(duì)非金屬耐腐蝕增敏封裝中面臨的增敏與測(cè)量溫度范圍相制約、中心波長(zhǎng)穩(wěn)定度低等問題進(jìn)行研究。

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