彭雄輝，黃安貽，左浩然

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

基片式高靈敏度光纖光柵溫度傳感器

彭雄輝，黃安貽，左浩然

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

光纖光柵是一種新型光學無源器件，現(xiàn)已普遍運用于傳感測量方面，但由于裸光纖光柵的靈敏度比較低，需要對其進行增敏封裝處理。該文提出一種基片式封裝結構，運用鋁和殷鋼兩種不同熱膨脹系數(shù)的材料，進行過渡配合，當鋁受熱產生變形，在鋁和殷鋼之間形成擠壓力，這種擠壓力減弱橫向延伸，增強縱向兩端延伸，使得光纖光柵應變增大。通過水浴加熱實驗對比分析裸光纖光柵、封裝的光纖光柵和改進封裝后的光纖光柵的溫度特性，實驗結果表明改進的基片式封裝結構溫度傳感器的線性相關系數(shù)為0.996，其靈敏度為33.21pm/℃，是裸光纖光柵的3.224倍，比單一鋁材料封裝靈敏度增大6.41pm/℃，可廣泛運用于多種場合的溫度測量，具有實際的應用價值。

溫度傳感器；光纖光柵；基片；靈敏度

0 引 言

光纖光柵是一種光學無源器件，由于其具有質量輕、體積小、抗電磁干擾、耐腐蝕以及傳感測量的準確度高等優(yōu)良特性，現(xiàn)已廣泛應用于傳感測量領域[1-4]。光纖光柵作為一種傳感測量元件，當外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時，使得光纖光柵產生一定的應變，這將引起光纖光柵的周期和光柵折射率的變化，從而使得進入光纖光柵中被反射和透射的光波發(fā)生一定的漂移，但在實際的應用中，往往由于溫度變化的范圍不大，從而溫度引起的光纖光柵的應變非常微小，即裸光纖光柵的溫度靈敏度很低，所以在實際的工程應用中，一般將裸光纖光柵進行溫度增敏封裝，以提高其溫度靈敏度。

現(xiàn)有的光纖光柵的封裝形式有很多，根據(jù)封裝結構和材料的不同，主要有聚合物封裝[5]、金屬管封裝[6-7]、基片式封裝[8-10]等比較常見的形式。本文研究基片式的封裝形式，通過對封裝的結構進行改良設計，使其在溫度方面的靈敏度得到較大提高。

目前有關基片式光纖光柵溫度傳感器的研究也有許多，如禹大寬等[11]提出來一種基于鈹青銅片封裝的光纖光柵溫度傳感器的模型，其靈敏度為0.0315mm/℃，并具有良好的重復性和線性度；于秀娟等[12]提出了一種銅片封裝的工藝，與裸光纖光柵的測試結果相比，該種封裝的傳感器溫度靈敏度提高了2.78倍；詹亞歌等[13]研究了一種光纖光柵的金屬槽封裝技術，其特征也是一種基片式封裝結構，該種金屬槽的封裝技術使得其溫度靈敏度比普通裸光柵提高了3.6倍。

綜上可知，目前封裝的材料都是單一地采用了一種熱膨脹系數(shù)比較大的材料作為基底材料，利用這種材料在受熱時膨脹變形大的機理，從而帶動光纖光柵產生大的應變，進而提高光纖光柵溫度測量的靈敏度，在本文中也是運用了這種相似的原理，但不同的是選用了兩種不同熱膨脹系數(shù)的金屬材料。將兩種材料設計成特殊結構組成的裝配體，并把該裝配體封裝在聚合酯材料的殼體中，殼體中的其他間隙用導熱脂填充，通過理論分析和實驗驗證的結果可證明該種封裝結構的有效性，且其光纖光柵溫度傳感器的靈敏度得到很大提高。

1 光纖光柵溫度增敏原理

光纖光柵傳感器的傳感信號為波長調制，通過檢測裝置測量反射波長的改變來感知周圍環(huán)境的變化，而且光纖光柵中心反射波長的變化是由光柵周期或者光柵區(qū)的折射率改變引起的[14-17]，其關系式可以表示為

式中：λg——反射波長；

neff——光柵區(qū)折射率；

Λ——光柵周期。

當外界環(huán)境發(fā)生變化時，將引起neff和Λ的變化，從而引起光柵中心反射波長λg的改變，而對于溫度單獨變化所引起的光纖光柵反射波長的改變量為

式中：αs——光纖的熱膨脹系數(shù)；

ζs——光纖熱光系數(shù)。

從上式可以看出，當外界環(huán)境溫度變化較小時，由溫度所引起的光纖光柵反射波長的改變量的變化也很微小，裸光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏度不高，為了提高對溫度的靈敏度，將光纖光柵封裝在熱膨脹系數(shù)較大的基體材料上，當該基體材料的熱膨脹系數(shù)為α（α＞＞αs）時，則封裝后的光纖光柵的中心反射波長與溫度變化的關系為

式中pe為光纖的彈光系數(shù)。

2 封裝模型的初步設計

從式（3）中可以看出，當選用熱膨脹系數(shù)α比較大的基底材料作為封裝材料時，在外界環(huán)境溫度的改變量相同的情況下，式（3）與式（2）相比，熱膨脹系數(shù)大的基底材料所引起的光纖光柵反射波長的改變量較大，所以本文選用鋁片作為基底材料對裸光纖光柵進行初步的封裝設計，該基底模型如圖1所示，實物圖如圖2所示。

為了比較直觀地看出該種封裝模型在溫度實驗時的變形效果，對該種模型進行有限元熱靜力分析，其分析結果如圖3所示。

在該模型的有限元熱靜力分析中，由于鋁片是主要的受熱變形元件，而且是主要的分析對象，所以將鋁片的網(wǎng)格進行細分，劃分的單元總數(shù)為310 000個，節(jié)點數(shù)是460 000個，在進行的熱靜力分析的結果中可以看出，鋁片在受熱膨脹時，其最大應變?yōu)?.0038446mm。

圖1 鋁基片模型

圖2 鋁基片實物圖

圖3 封裝模型熱靜力分析

3 測溫實驗

由以上對初步封裝的傳感器模型進行的有限元分析中可以看出該封裝模型的溫度變形效果，為了實際驗證該種封裝方法的有效性，下面對該傳感器進行試驗驗證。

3.1 實驗方法

選擇1 550 nm波段的光纖光柵，選用型號為BGD-4002的光纖光柵解調儀，該解調儀的采樣率為4kHz，分辨率是 1pm，波段是 1525～1565nm。實驗中選擇一根與封裝的光纖光柵相同參數(shù)的裸光纖光柵做對比實驗，采用水浴實驗的方法，驗證裸光纖光柵與封裝后的光纖光柵在測量表面溫度時對溫度的靈敏特性，實驗原理如圖4所示。具體實驗過程為采用真空的杜瓦瓶并在瓶中充滿熱水，通過改變瓶內水的溫度，作為實驗時的可控熱源，再將瓶口用軟木塞塞緊，軟木塞的中間為通孔，將一根標準水銀溫度計插在軟木塞的另一個小孔中用以測量實驗時的溫度，將裸光纖光柵與封裝的光纖光柵的下端面浸在杜瓦瓶的水中，其中裸光纖光柵用于實驗過程中的對比，具體的實物如圖5所示。

圖4 實驗原理圖

圖5 具體實物圖

3.2 實驗結果和分析

實驗過程中一共記錄了7組不同溫度時的光纖光柵波長變化情況，該數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 不同溫度下2種光纖光柵對應的波長對比

對表中所記錄的數(shù)據(jù)進行直線擬合，從而得出裸光纖光柵的中心反射波長λ1與溫度之間的關系為λ1=0.010 3T+1 546.821，即該裸光纖光柵測量表面溫度時的靈敏度為10.3pm/℃。另外，封裝的光纖光柵的中心反射波長λf與溫度之間的關系為λf=0.026 8T+1 547.878，即封裝后的光纖光柵測量表面溫度時的靈敏度為26.8pm/℃。這兩者的擬合曲線如圖6所示，并且在不同溫度時的波長變化的誤差如圖7所示。從圖6中可以看出封裝的光纖光柵與裸光纖光柵在測量物體表面溫度時，封裝的光纖光柵的靈敏度更高，而且從圖7中看出，當物體表面溫度越高時，封裝的光纖光柵與裸光纖光柵的波長變化誤差也越來越大。雖然這種封裝的方式使得光纖光柵測量物體表面溫度的靈敏度提高，但是這種封裝的方式和現(xiàn)有的封裝方式區(qū)別不大，因此，為盡可能提高光纖光柵測量物體表面溫度的靈敏性，需要對這種封裝方式進行改進設計。

圖6 光纖光柵波長擬合曲線

圖7 波長變化誤差

圖8 殷鋼-鋁基片模型

圖9 殷鋼-鋁基片封裝模型熱靜力分析

4 封裝模型改進設計

為了增大光纖光柵測量物體表面溫度的靈敏度，單一地運用一種熱膨脹系數(shù)大的材料作為封裝的基底材料確實可以提高靈敏度，但是這種封裝方式對于靈敏度的提高只是運用了材料熱膨脹系數(shù)大的材料受熱變形大的機理來提高靈敏度，因此對該封裝方式進行改進設計，使用兩種不同熱膨脹系數(shù)的材料，將這兩種材料設計成組合體，進行過渡配合，其配合模型如圖8所示，選熱膨脹系數(shù)比較低的殷鋼和熱膨脹系數(shù)比較大的鋁，將鋁和殷鋼進行過渡配合，當鋁受熱時產生變形，從而在鋁和殷鋼之間形成擠壓力，這種擠壓力的分布是中心對稱且合力是指向兩端，使得鋁向兩端延伸，而鋁由于自身的受熱膨脹也將向兩端延伸，因此鋁片的總應變是擠壓變形和受熱變形同時作用的效果，以此為原理對封裝模型進行改進。

4.1 有限元熱靜力分析

將殷鋼-鋁基片封裝的模型進行有限元熱靜力分析，其網(wǎng)格劃分和熱分析加載條件如前文所述，仿真結果如圖9所示。

可以看出加載條件相同的條件下，這種改進設計的殷鋼-鋁基片封裝模型與前文中的鋁基片封裝模型的熱分析結果相比，其鋁片的最大應變?yōu)?.0052539mm，最大應變增大了0.0014093mm。由此得出這種改進設計方法的有效性。

4.2 實驗驗證

將前文中的裸光纖光柵替換成這種改進設計的殷鋼-鋁基片封裝的溫度傳感器，將殷鋼-鋁基片封裝的溫度傳感器與單純的鋁基片封裝的溫度傳感器做靈敏性對比試驗，其他實驗條件均不變。

實驗過程中一共記錄了7組不同溫度時的光纖光柵波長變化情況，該數(shù)據(jù)記錄如表2所示。對表中所記錄的數(shù)據(jù)進行直線擬合，從而得出改進設計封裝的光纖光柵的中心反射波長λg與溫度之間的關系為λg=0.03321T+1547.517，即改進設計封裝的光纖光柵測量表面溫度時的靈敏度為33.21pm/℃。與鋁基片封裝的光纖光柵相比，這種改進設計的封裝方法使光纖光柵測量物體表面的靈敏度增大了6.41pm/℃。將這種封裝方法的實驗數(shù)據(jù)進行擬合，所得的擬合曲線如圖10所示。對比兩種封裝方式，可以看出改進設計封裝的光纖光柵測量溫度時的靈敏度有很大提高。

表2 改進封裝后不同溫度下2種光纖光柵對應的波長對比

圖10 改進后的光纖光柵波長擬合曲線

5 結束語

本文設計一種基片式光纖光柵溫度傳感器的封裝方法，通過理論分析和具體實驗驗證了初步設計封裝的傳感器的溫敏特性，并對這種基片式封裝方法提出了改進設計，最終改進設計出一種高靈敏度光纖光柵溫度傳感器的封裝方案，即殷鋼和鋁作為基底材料，用聚乙酯塑料殼和導熱脂封裝的溫度傳感器，且經(jīng)過具體的實驗證明了該種封裝設計的有效性，這種改進設計的溫度傳感器的線性相關系數(shù)為0.996，靈敏度是33.21 pm/℃，是裸光纖光柵溫度傳感器的3.224倍，并且有很好的重復性，可廣泛應用于多種場合的物體表面的溫度測量，具有很好的應用前景。

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（編輯：李妮）

Substrate type high-sensitivity fiber grating temperature sensor

PENG Xionghui，HUANG Anyi，ZUO Haoran
（School of Mechanical and Electronic Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

As a new kind of optical passive device，fiber grating is widely used in sensor measurement.While bare fiber grating is of low sensitivity，thus needs to be strengthened in sensitivity and packaged.This paper put forward a kind of substrate type packaging structure，using two materials（aluminium and invar steel） that have different thermal expansion coefficient for transition fit.When aluminum was deformed due to heating，extrusion pressure formed between aluminium and invar steel，which made the lateral extension weakened and longitudinal extension enhanced，resulting in the increase of the fiber grating strain.Water bath heating test was carried out to compare and analyze the temperature characteristics of bare fiber grating，packaged fiber grating and fiber grating with packaging improved.The results show that the linear correlation of improved substrate type packaging structure temperature sensor is 0.996，and its sensitivity is 33.21 pm/℃，which is 3.224 times that of the bare fiber grating.Compared to the single aluminium material packaging sensitivity，the sensitivity increased by 6.41 pm/℃，thus it can be widely used in a variety of occasions for temperature measurement and has practical value.

temperature sensor；fiber grating；substrate；sensitivity

A

：1674-5124（2017）07-0134-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.07.026

2016-10-08；

：2016-12-12

國家火炬計劃項目（2006GH041236，2010GH041417）

彭雄輝（1989-），男，湖北武漢市人，碩士研究生，專業(yè)方向為高精度儀器測量。