段效琛， 李英娜， 陳富云， 趙振剛， 李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500)

氣體壓力式FBG溫度傳感器設(shè)計(jì)*

段效琛， 李英娜， 陳富云， 趙振剛， 李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500)

針對基于電信號傳輸?shù)臏囟葌鞲衅麟y以在石油、化工、變電站等高危環(huán)境中做檢測的問題，設(shè)計(jì)了氣體壓力式光纖Bragg光柵(FBG)溫度傳感器。采用氣體壓力式結(jié)構(gòu)，在等強(qiáng)度懸臂梁上下表面的中心軸線上各粘貼一只具有相同敏感系數(shù)的FBG，分析了該溫度傳感器的工作原理，建立了其理論數(shù)學(xué)模型，并組裝了傳感器。通過對設(shè)計(jì)的氣體壓力式FBG溫度傳感器進(jìn)行升降溫實(shí)驗(yàn)測試，得到傳感器的靜態(tài)性能特性：傳感器的線性度為3.59 %FS，升溫過程中靈敏度為10.14 pm/℃，降溫過程中靈敏度為9.99 pm/℃。

光纖Bragg光柵; 溫度傳感器; 氣體壓力式; 等強(qiáng)度懸臂梁; 靜態(tài)特性

0 引 言

光纖Bragg光柵(FBG)溫度傳感器具有傳輸能耗低、抗電磁干擾能力強(qiáng)、化學(xué)特性穩(wěn)定、電絕緣性良好、可在高溫條件下使用等優(yōu)點(diǎn)，常被使用在強(qiáng)電磁干擾、高壓強(qiáng)、強(qiáng)腐蝕性、超高低溫等高危特殊的工作環(huán)境中[1～3]，相比傳統(tǒng)的溫度傳感器具有更廣泛的應(yīng)用范圍。2004年,李川等人根據(jù)應(yīng)變式傳感器的特點(diǎn)，給出了采用差動式結(jié)構(gòu)分離FBG傳感器溫度和應(yīng)變耦合響應(yīng)信號的方法和技術(shù)[1]。2008年,王宏亮等人提出一種耐高溫FBG溫度傳感器，分析了該傳感器在高溫段的線性特征，進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究，得出該傳感器有很好的重復(fù)性與良好的線性特征[2]。2010年,李川等人研制了一種雙套管式FBG溫度傳感器, 以實(shí)現(xiàn)無外力作用的溫度測量[3]。

本文利用溫包結(jié)構(gòu)和新型的敏感元件研制一種氣體壓力式FBG溫度傳感器，分析了傳感器工作原理，建立了傳感數(shù)學(xué)模型，并通過測溫實(shí)驗(yàn)得到該傳感器的相關(guān)靜態(tài)性能指標(biāo)，與理論值基本相同，適用于石油、化工、變電站等高危環(huán)境中。

1 主要結(jié)構(gòu)與工作原理

氣體壓力式FBG溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 氣體壓力式FBG溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

傳感器工作原理為：將溫包放入被測環(huán)境，當(dāng)被測環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，溫包內(nèi)氣體受熱膨脹，溫包內(nèi)部壓強(qiáng)發(fā)生變化，此時(shí)壓強(qiáng)變化通過毛細(xì)管傳遞到隔層膜片上，使隔層膜片發(fā)生形變，并導(dǎo)致與其相連的傳壓桿發(fā)生上下運(yùn)動；由于傳壓桿與等強(qiáng)度懸臂梁自由端是垂直剛性連接，所以，傳壓桿的運(yùn)動使得等強(qiáng)度懸臂梁的撓度發(fā)現(xiàn)變化，從而導(dǎo)致粘貼在等強(qiáng)度懸臂梁上下表面中心軸線上的FBG波長發(fā)生移位；通過光纖分析儀測量出波長的移位量，根據(jù)傳感數(shù)學(xué)模型計(jì)算出被測物體的溫度值。

2 傳感模型

設(shè)計(jì)的氣體壓力式FBG溫度傳感器的傳感模型為：當(dāng)溫包放置到需要測量的溫度環(huán)境中時(shí)，溫包內(nèi)的氣體由于熱脹冷縮導(dǎo)致內(nèi)部氣壓發(fā)生變化，經(jīng)毛細(xì)管傳遞，作用在隔層膜片上壓力為F1，又經(jīng)傳壓桿傳遞，作用到等強(qiáng)度懸臂梁的自由端，產(chǎn)生等值作用力F2，其關(guān)系如下

(1)

式中 V為儀表封閉系統(tǒng)體積；R為普適氣體常數(shù)；T為氣體工作溫度；n為溫包中氣體的物質(zhì)的量。

軸向應(yīng)變Δε與力F2，F(xiàn)1的關(guān)系為

(2)

式中E為等強(qiáng)度懸臂梁的彈性模量；b0為等強(qiáng)度懸臂梁固定端的寬度；h為等強(qiáng)度懸臂梁的厚度；l為等強(qiáng)度懸臂梁的長度。

將式(1)代入式(2)可得等強(qiáng)度懸臂梁軸向應(yīng)變與溫度T的關(guān)系為

(3)

FBG隨等強(qiáng)度懸臂梁形變，若測量過程中溫度變化了ΔT，則應(yīng)變和溫度引起的FBG的波長移位量ΔλB為

ΔλB=(SεΔε+STΔT)λB

(4)

式中 Sε為應(yīng)變敏感系數(shù)；ST為溫度敏感系數(shù)；Δε為軸向應(yīng)變變化量；ΔT為溫度變化量；λB為FBG中心波長。

由于環(huán)境溫度的影響可消除，所以，只有應(yīng)變作用時(shí)FBG中心波長移位為

ΔλB1,2=ΔλB1-ΔλB2=2SεΔελB

(5)

式中ΔλB1,2為等強(qiáng)度懸臂梁上、下表面粘貼的2只FBG的波長移位差值；ΔλB1和ΔλB2分別為等強(qiáng)度懸臂梁上、下表面粘貼的2只FBG的波長移位。

將式(5)分別代入式(2)和式(3)可以得到等強(qiáng)度懸臂梁自由端作用力F2、被測溫度與FBG中心波長移位的關(guān)系為

(6)

(7)

式(7)表明了被測環(huán)境溫度T與FBG波長移位ΔλB1,2之間的數(shù)學(xué)模型，通過測量FBG波長移位即可以計(jì)算出被測環(huán)境溫度。

3 溫度測試實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

溫度測試系統(tǒng)主要由FBG傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀、設(shè)計(jì)加工的氣體壓力式FBG溫度傳感器、恒溫槽和讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡組成。溫度測試實(shí)驗(yàn)原理圖如圖2所示。

圖2 溫度測試實(shí)驗(yàn)原理

本測試實(shí)驗(yàn)中各個(gè)部件的具體參數(shù)有：

1)強(qiáng)度懸臂梁尺寸參數(shù)為：有效長度l=50 mm，厚度h=0.3 mm，固定端寬度b0=20 mm；等強(qiáng)度懸臂梁材料參數(shù)為：316 L不銹鋼的Young’s模量E=200 GPa，泊松比μ2=0.306；

2)溫包尺寸參數(shù)：直徑為14 mm，長度為150 mm的圓柱體；

3)FBG的技術(shù)參數(shù)為：中心波長λB1=1 551 nm，λB2=1 553 nm，應(yīng)變敏感系數(shù)Sε=0.78，溫度敏感系數(shù)ST=6.0×10-6/℃，F(xiàn)BG的有效彈光系數(shù)pe為0.22；

4)根據(jù)前面理論推導(dǎo)的傳感數(shù)學(xué)模型可以得到，F(xiàn)BG的波長移位ΔλB與溫度變化量ΔT關(guān)系為

(8)

將測試實(shí)驗(yàn)中所有部件參數(shù)代入式(8)，可以獲得傳感器的理論溫度靈敏度為10.2pm/℃，所以，該溫度傳感器的最小溫度分辨力為0.098 ℃。

升降溫過程共進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，以第1次升降溫過程為例，光柵1和光柵2的實(shí)測值與擬合曲線的關(guān)系分別如圖3(a)和3(b)所示。

圖3 第1次測溫實(shí)驗(yàn)2只光柵升降溫曲線

由圖3～圖5中溫度與中心波長的曲線圖可知，當(dāng)進(jìn)行升溫時(shí)，粘貼在等強(qiáng)度懸臂梁下表面的光柵中心反射波長增大，粘貼在等強(qiáng)度懸臂梁上表面的光柵中心反射波長減小；當(dāng)進(jìn)行降溫時(shí)，粘貼在等強(qiáng)度懸臂梁下表面的光柵中心反射波長減小，粘貼在等強(qiáng)度懸臂梁上表面的光柵中心反射波長增大。根據(jù)FBG的理論特性及FBG的粘貼位置可知，當(dāng)光柵受拉時(shí)中心波長增大，當(dāng)光柵受壓時(shí)中心波長減小。由此可知實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論完全吻合。

對3組溫度測試實(shí)驗(yàn)過程中得到的大量光柵中心波長值求算術(shù)平均值，再利用Matlab對3組實(shí)驗(yàn)的算術(shù)平均值進(jìn)行擬合。擬合后的中心波長與溫度關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 擬合后2只光柵中心波長與溫度關(guān)系

根據(jù)圖4可知20～80 ℃的溫度測試實(shí)驗(yàn)光柵的波長總變化量為0.612 nm，實(shí)測值與理論值的最大波長偏差量為0.022 nm。把這兩個(gè)參數(shù)代入式(9)可得研制的傳感器的線性度為

(9)

傳感器的靈敏度定義為在穩(wěn)態(tài)工作情況下系統(tǒng)的輸出變化量(Δλ)與輸入變化量(ΔT)之比,即

(10)

在溫度測試實(shí)驗(yàn)過程中，升溫和降溫時(shí)FBG波長變化量與溫度關(guān)系如圖5所示。

圖5 升降溫過程中心波長移位量與溫度關(guān)系

由圖5可知：所設(shè)計(jì)的氣體壓力式溫度傳感器在升溫過程中溫度靈敏度為10.14 pm/℃；在降溫過程中溫度靈敏度為9.99 pm/℃。

4 結(jié) 論

本文研制的氣體壓力式FBG溫度傳感器利用差動式的方式在等強(qiáng)度懸臂梁上下表面中心軸線上各粘貼1只相同型號的FBG來消除環(huán)境溫度對測溫的影響。測溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：氣體壓力式FBG溫度傳感器線性度為3.59 %FS，升溫過程中靈敏度為10.14 pm/℃，降溫過程中靈敏度為9.99 pm/℃。得出實(shí)測值與理論值基本相同，證明該傳感器的設(shè)計(jì)是可行的，可滿足對石油、化工、變電站等高危環(huán)境的溫度檢測。

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Study on gas pressure type FBG temperature sensor*

DUAN Xiao-chen, LI Ying-na, CHEN Fu-yun, ZHAO Zhen-gang, LI Chuan

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Aiming at problem that temperature sensor based on electrical signal transmission is difficult to perform detection in high-risk environment such as petroleum, chemical,substations and so on, design a gas pressure type fiber Bragg grating(FBG) temperature sensor.The sensor uses gas pressure type structure,pastes two FBG with same sensitivity coefficients on the central axis of upper and lower surfaces of equi-intensity cantilever beam,analyze principle of temperature sensor,build up its theoretical mathematical model,and assemble the sensor.Through temperature ramp test on gas pressure fiber Bragg grating sensor,get static characteristics of the sensor as follows:the linearity of the sensor is 3.59 % FS,the heating process sensitivity is 10.14 pm/℃,the cooling process sensitivity is 9.99 pm/℃.

fiber Bragg grating(FBG); temperature sensor; gas pressure type; equi-intensity cantilever beam; static characteristics

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0127—03

2016—05—18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51567013)

TP 212

A

1000—9787(2017)05—0127—03

段效琛(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樽儔浩骷肮饫w光柵傳感領(lǐng)域。

李 川(1971-)，男，通訊作者，教授，博士生導(dǎo)師，從事光纖Bragg光柵傳感器的應(yīng)用研究,E-mail：boatriver@eyou.com。