任偉 彭仁軍 張東旭 劉艷陽

(1 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)(2 北京航天時代光電科技有限公司，北京 100094)

目前，航天器普遍采用熱敏電阻、熱電偶等傳統(tǒng)溫度傳感器測量溫度，測點(diǎn)測量精度高，應(yīng)用成熟。航天器向功能綜合化、智能化和高精度的方向發(fā)展，需要提高溫度環(huán)境的監(jiān)測和保障能力。尤其是微小衛(wèi)星，更需要輕量化、高功能密度的測溫技術(shù)。傳統(tǒng)的高精度、單點(diǎn)測溫方式，每個測點(diǎn)均需要2根導(dǎo)線，在測點(diǎn)多、測點(diǎn)密集的情況下，過多的測溫電纜給航天器集成帶來不便和難度。例如，對于大面積的展開式微波載荷來說，航天器外天線的測溫電纜有時多達(dá)數(shù)百根，不利于展開機(jī)構(gòu)展開。

光纖因其抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量小等特點(diǎn)，被發(fā)展各式傳感器，在結(jié)構(gòu)監(jiān)測等領(lǐng)域得到應(yīng)用[1-9]，溫度傳感器是其中的典型應(yīng)用[4-9]。傳統(tǒng)光纖測溫技術(shù)主要基于拉曼散射原理，多應(yīng)用在礦山、電廠等環(huán)境[5，7，9]，溫度采集精度低或測點(diǎn)位置精度不高，不適合航天器應(yīng)用。光纖光柵(FBG)是一種新興的基礎(chǔ)性光纖器件[1-2]，可以利用其溫變特性制成溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)一根光纖上對多點(diǎn)進(jìn)行測溫，能大大減小測溫系統(tǒng)的質(zhì)量和電纜復(fù)雜度，可作為提高航天器模塊化集成的有效途徑之一。不過，目前尚未查到光纖光柵溫度傳感器在航天器測溫中的應(yīng)用研究。本文面向航天應(yīng)用，介紹了光纖光柵傳感測溫方案的原理，討論了方案設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，并試制了光纖光柵測溫系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的標(biāo)校和應(yīng)用試驗(yàn)，可為航天器溫度測量設(shè)備減重提供設(shè)計(jì)參考。

1 航天器光纖光柵測溫方案

針對航天器應(yīng)用，光纖光柵測溫方案重點(diǎn)要建立系統(tǒng)構(gòu)架，并解決光譜分配、傳感器方案、定標(biāo)與溫度獲取方法等關(guān)鍵問題。

1)系統(tǒng)方案

光纖光柵是一種光纖器件。當(dāng)寬帶連續(xù)光脈沖在光纖傳輸過程中傳輸?shù)焦饫w光柵時，光柵會有選擇性地反射一個窄帶光，而讓剩余的寬帶光脈沖透射過去，如圖1所示。根據(jù)光柵布拉格周期Λ，2個后向傳輸模式之間形成滿足布拉格條件的特定中心波長λB的反射波，相當(dāng)于纖芯內(nèi)形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。反射波的中心波長[10]滿足

λB=2neffΛ

(1)

式中：neff為纖芯有效折射率。

注：n為折射率；n0為真空折射率；n1為包層折射率；n2為纖芯材料折射率；n3為光柵等效折射率；P為光譜響應(yīng)強(qiáng)度；λ為波長。

圖1 光纖光柵測溫原理

Fig.1 Principle of fiber grating temperature measurement

光纖光柵測溫中不同的傳感器通過光譜特征分辨，因此可實(shí)現(xiàn)一根光纖上串接多個傳感器，并且可利用分路合路器實(shí)現(xiàn)單套光源、探測器和信號處理電路對多路光纖的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。單根光纖所串接的傳感器數(shù)量p取決于光源帶寬、測溫范圍、測溫精度、光探測器掃描步長等因素。單根光纖不足時，可增加測量通道滿足測溫點(diǎn)數(shù)需求。

圖2 光纖光柵測溫系統(tǒng)示意Fig.2 Fiber grating temperature measurement system diagram

2)測溫范圍、精度與光譜分配

單根光纖上的傳感器回波中心光譜不能發(fā)生混疊，因此要根據(jù)測溫的范圍、精度對回波光譜進(jìn)行分配，并確定單根光纖傳感器的數(shù)量p。一般，航天器單機(jī)工作溫度為-15～+55 ℃，考慮適當(dāng)?shù)墓こ逃嗔恳约安糠痔厥馐褂靡?，在以上溫度范圍的基礎(chǔ)上外擴(kuò)20～30 ℃確定航天器內(nèi)單機(jī)的溫度測溫范圍。對于特殊應(yīng)用環(huán)境，可根據(jù)解調(diào)儀和光柵光譜區(qū)間對個別測點(diǎn)溫度范圍進(jìn)行擴(kuò)展。艙內(nèi)單機(jī)溫度測量精度在0.1～0.5 ℃，可以滿足絕大多數(shù)情況下的要求。考慮光纖光柵中心波長間隔、可調(diào)諧光源輸出光波長范圍、單串傳感器數(shù)量三者匹配，單個光柵傳感器數(shù)量滿足以下條件。

(2)

式中：τ為光源帶寬；Tr為測溫范圍；Tp為測溫精度；D為光探測器在滿足Tp時所需最小探測步長，由硬件和尋優(yōu)算法共同決定；c為傳感器與傳感器之間中心波長工程余量，建議取20%～50%。

3)傳感器方案

傳感器方案主要討論傳感器的形式、適用光纖類型，以及封裝和安裝在實(shí)際應(yīng)用中所要注意的關(guān)鍵點(diǎn)。

(1)傳感器的形式。航天器溫度測量主要用于各單機(jī)設(shè)備以及關(guān)鍵位置的溫度監(jiān)測，部分測點(diǎn)溫度作為溫度控制的依據(jù)。航天器上單機(jī)密集、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可供粘貼溫度測點(diǎn)的區(qū)域相對較小，因此宜采用點(diǎn)式測量。在電纜測溫等行業(yè)應(yīng)用的光纖測溫方法，可測量沿光纖的溫度，但定位精度在1 m以上，無法滿足航天器測溫的需要[7]，要采用小型鎧裝光纖光柵傳感器，長度、寬度分別控制在5 cm以內(nèi)，盡量在1 cm以內(nèi)。

(2)適用光纖類型。在光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)中，解調(diào)系統(tǒng)通過反射光光強(qiáng)來確認(rèn)反射波長的峰值位置。為了保證反射波長的測量精度，反射波長中心反射強(qiáng)度與非反射波長中心強(qiáng)度要具備高對比度，即要求采用高反射率光纖光柵。同時，光纖要具有較好的耐輻照特性，并避免因輻照引起的波長紅移影響。摻鍺光纖刻制的光柵會因?yàn)樵谳椪障鹿鈻耪凵渎首兓a(chǎn)生明顯的波長漂移，而摻氟的純石英光纖制作的光柵的中心波長在輻照條件下漂移量非常小，在30 000拉德(rad)計(jì)量輻照下，波長漂移產(chǎn)生的溫度變化小于0.15 ℃。采用摻鍺光纖、光敏光纖、摻氟光纖制作的布拉格光纖光柵，在輻照下的波長漂移如圖3所示。

圖3 不同摻雜光纖光柵中心波長受輻照影響Fig.3 Center wavelength of different doped fiber grating affected by irradiation

(3)封裝和安裝注意的關(guān)鍵點(diǎn)。由于光纖光柵本身抗剪切能力差，在實(shí)際工程應(yīng)用中需要預(yù)先對光纖光柵進(jìn)行封裝處理。目前，封裝形式主要有基片式、管式及嵌入式。幾種封裝形式都要考慮封裝材料與被測結(jié)構(gòu)之間的相容，以及應(yīng)變在光纖光柵傳感器各層界面之間的傳遞特性。傳感器在受外力影響發(fā)生變形時，會導(dǎo)致光柵產(chǎn)生變形，進(jìn)而影響測溫精度，因此需要避免被測物本身形變對傳感器的影響。航天器在軌時一般單機(jī)機(jī)殼、安裝板受力微小，其影響可忽略不計(jì)；但傳感器用于機(jī)械臂等受力部件的溫度測量時，需要采取一定的解耦措施，降低或消除應(yīng)變帶來的測量誤差。為達(dá)到良好的導(dǎo)熱效果，宜采用粘貼的方式。例如，采用硅橡膠進(jìn)行粘貼，在保證粘貼牢固的同時，又能起到一定的消除變形影響的作用。安裝過程中，要對每個傳感器排布順序進(jìn)行記錄，按照從中心波長小到大的順序連接，以利于后期維護(hù)和解調(diào)儀讀取波長。

4)傳感器回波光譜與溫度的關(guān)系

應(yīng)當(dāng)注意的是，傳感器制作時是先實(shí)施光纖光柵刻寫，再進(jìn)行封裝。封裝過程會對光柵施加一定的預(yù)緊力，導(dǎo)致光柵波長發(fā)生改變，因此，傳感器回波光譜與溫度的關(guān)系，應(yīng)在傳感器成型后建立，而并非在光纖刻寫時進(jìn)行建立。

傳感器反射波中心波長與溫度的對應(yīng)關(guān)系，與光纖光柵封裝帶來的增敏作用、預(yù)緊力等都有關(guān)。第i(i=1，2，3，…，p)個傳感器中心波長和溫度的對應(yīng)關(guān)系為

λT,i=λT0+ΔλT0+KT(T-T0)+T0

(3)

式中：λT,i為第i個傳感器在溫度T時的中心波長，可由光探測器獲得；T0為傳感器制作時的溫度；λT0為光纖光柵在環(huán)境溫度T0進(jìn)行刻寫時的中心波長；ΔλT0為制作傳感器工藝過程對光纖光柵中心波長的影響殘值(環(huán)境溫度T0)；KT為傳感器的溫度敏感系數(shù)，與傳感器形式、制作工藝有關(guān)。

由于ΔλT0和KT難以精確測量，可將式(2)的常數(shù)項(xiàng)合并，則式(3)可寫為

λT,i=KT·T+C

(4)

式中：C為合并后的綜合常數(shù)項(xiàng)。

由式(4)可知，回波中心波長與溫度為線性關(guān)系，可采用定標(biāo)的方式獲得。將傳感器置于可設(shè)置溫度的恒溫箱內(nèi)，通過測量不同溫度時傳感器的回波波長擬合出KT和C。至此，就建立了回波中心波長λT,i與溫度T的關(guān)系。

2 應(yīng)用實(shí)例

本節(jié)以星載相控陣天線用測溫系統(tǒng)為例，說明光纖光柵測溫系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由光纖光柵解調(diào)儀和光纖光柵傳感器兩部分組成，包含2個采集通道，每通道具有10個采集點(diǎn)。溫度精度設(shè)計(jì)為0.03 ℃，測溫范圍為-60～+60 ℃。

2.1 光纖光柵溫度傳感器

光纖光柵傳感器采用紅外飛秒激光器刻寫純石英光纖，解調(diào)方案基于可調(diào)諧激光器設(shè)計(jì)。

1)光譜分配

本文使用的可調(diào)諧光源輸出光波長范圍為1527～1568 nm，光纖光柵反射波長的溫度敏感系數(shù)約為10 pm/℃，測溫范圍為120 ℃，對應(yīng)波長變化范圍為1.2 nm，因此設(shè)置每組光纖光柵中心波長間隔應(yīng)大于1.2 nm，本文設(shè)為3 nm，保持光譜余量。

2)封裝設(shè)計(jì)與分析

采用鋁合金基片式封裝，以保證應(yīng)變在被測結(jié)構(gòu)與光纖光柵傳感器之間更好地進(jìn)行熱傳遞，見圖4。利用有限元分析軟件，根據(jù)光纖光柵實(shí)際尺寸進(jìn)行建模。光纖光柵應(yīng)變分布見圖5，光纖光柵在拉伸應(yīng)力下產(chǎn)生的變形，是應(yīng)變由底端向中間呈階梯狀遞減，在較大程度上加持力未改變封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，封裝整體受力分布均勻。此封裝具有一定的增敏作用，能提高封裝成型后的光纖光柵溫度傳感器的溫度測量精度，以滿足更多實(shí)際工程應(yīng)用。

圖4 光纖光柵溫度傳感器封裝形式Fig.4 Fiber grating temperature sensor package

圖5 光纖光柵應(yīng)變分布Fig.5 Fiber grating strain distribution

3)傳感器標(biāo)定

將固化完成的光纖光柵溫度傳感器與信號處理器連接，組成光纖光柵傳感系統(tǒng)，并將其置于恒溫干燥箱中進(jìn)行標(biāo)定。改變鼓風(fēng)干燥箱的溫度，控制在-50～+50 ℃，以10 ℃為步長，記錄穩(wěn)定后光纖光柵溫度傳感器的中心波長值。根據(jù)溫度傳感器標(biāo)定試驗(yàn)中所得數(shù)據(jù)，通過10次以上的循環(huán)試驗(yàn)獲得溫度和波長的對應(yīng)關(guān)系，可以得到溫度靈敏系數(shù)KT=22.26 pm/℃，如圖6所示。

圖6 光纖光柵溫度傳感器中心波長與溫度關(guān)系

4)測溫誤差檢驗(yàn)

利用FLUKE7381水浴恒溫箱設(shè)定溫度，使用標(biāo)定完成的光纖光柵對已知溫度進(jìn)行溫度測量以得到光纖光柵測量的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。對每個溫度點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測量10次，計(jì)算得到光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)最大系統(tǒng)誤差+0.002 ℃，隨機(jī)誤差的最大極端分布范圍為±0.004 ℃(分布類型為正態(tài)分布，置信概率取99.73%)。該光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)的測溫精度滿足0.01 ℃的要求。

2.2 系統(tǒng)集成和布設(shè)

傳輸光纖直徑為0.9 mm，在某天線板每翼設(shè)置10個測點(diǎn)，共20個測點(diǎn)，緊貼天線板設(shè)備鋪設(shè)。布設(shè)采用S型走向，避免光纖折彎，見圖7。光纖在未加固定前的安裝過程中質(zhì)脆易斷，天線板表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳感器的連接采用現(xiàn)場熔接方式進(jìn)行。使用硅橡膠將光纖及光纖光柵固定在天線板上。

圖7 光纖光柵溫度傳感器測點(diǎn)布設(shè)Fig.7 Measuring point layout of fiber grating temperature sensors

2.3 熱試驗(yàn)應(yīng)用情況

以衛(wèi)星熱試驗(yàn)為契機(jī)，在光纖光柵測點(diǎn)附近同時布設(shè)熱敏電阻測點(diǎn)。通過熱敏電阻和光纖測點(diǎn)測量結(jié)果的對比，判斷光纖測溫的有效性。以測點(diǎn)1為例，其數(shù)據(jù)對比如圖8所示。在熱沖擊載荷下二者測量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出溫度差異。初步分析這種差異是溫度響應(yīng)時間不一致，以及光纖測點(diǎn)與熱敏電阻測點(diǎn)位置差異等因素的綜合結(jié)果，但主要是溫度響應(yīng)時間的影響。

圖8 光纖光柵測溫?cái)?shù)據(jù)與熱敏電阻測溫?cái)?shù)據(jù)對比Fig.8 Temperature measurement data contrast between fiber grating and thermostat

由于光纖測溫系統(tǒng)單根光纖可串聯(lián)多個傳感器，在線纜方面比傳統(tǒng)的熱敏電阻大大節(jié)約。20個測點(diǎn)，均遠(yuǎn)離星體，信號處理單機(jī)距離測點(diǎn)最遠(yuǎn)直線距離達(dá)25 m。光纖測溫系統(tǒng)質(zhì)量2.3 kg，具體見表1。

表1 光纖光柵測溫方案與熱敏電阻測溫方案的質(zhì)量對比

注：1)20個熱敏電阻導(dǎo)線總量。

3 結(jié)論

本文提出航天器光纖光柵測溫方程，分析了其在航天應(yīng)用中的關(guān)鍵問題，并研制產(chǎn)品完成定標(biāo)、驗(yàn)證。通過實(shí)例說明本文提出的光纖光柵測溫方案是可行的，相比傳統(tǒng)測溫方式可減少連接線纜，降低測溫系統(tǒng)的質(zhì)量，提高系統(tǒng)集成度。特別是對于外部展開附件測溫點(diǎn)多的場合，可幫助減少關(guān)節(jié)處的線纜，避免大束測溫電纜對展開機(jī)構(gòu)的影響。

光纖光柵測溫在航天應(yīng)用中，還應(yīng)注意以下3點(diǎn)。

(1)標(biāo)定方法。信號處理單機(jī)的調(diào)試和中心波長的提取誤差，會導(dǎo)致系統(tǒng)測溫精度損失。比較穩(wěn)妥的方式是將光纖傳感器與信號處理單機(jī)串聯(lián)起來進(jìn)行系統(tǒng)性聯(lián)合標(biāo)定，這樣比僅對傳感器進(jìn)行標(biāo)定更加可靠。大規(guī)模工程應(yīng)用時，傳感器和信號處理單機(jī)分別進(jìn)行標(biāo)定，有利于提高工程研制效率，但需要對傳感器和信號處理單機(jī)加嚴(yán)標(biāo)定精度。

(2)規(guī)范光纖傳感器的固定工藝。光纖傳感器的固定方式?jīng)Q定了溫度傳導(dǎo)的速率，影響光纖傳感器的溫度響應(yīng)速度。因此，應(yīng)對其固定工藝進(jìn)行規(guī)范，避免由于工藝實(shí)施的差異性導(dǎo)致測溫存在差異。

(3)合理分配光纖傳感器光柵刻寫時的中心波長。同一根光纖上的光纖光柵傳感器回波中心波長需要錯開，不發(fā)生混疊。對同一個傳感器來說，光柵刻寫時的中心波長與封裝后的中心波長存在差異，因此在刻寫時應(yīng)留有相對充分的余量。

本文工作可為光纖光柵測溫系統(tǒng)在航天器上應(yīng)用提供參考。同時，建議從以下3個方面深化工程應(yīng)用研究，進(jìn)一步改進(jìn)測溫效果。

(1)光纖選型。本文實(shí)例中選用純石英光柵，是考慮沒有摻雜的情況下，輻照條件下無色心效應(yīng)，具有很好的抗輻照能力。但是，光纖的選型與光柵傳感器的溫度敏感性等多方面因素有關(guān)，應(yīng)進(jìn)行更深入得研究，以形成成熟有效的航天用光纖測溫傳感器。

(2)溫度響應(yīng)。本文中光纖光柵傳感器封裝后溫度響應(yīng)相對于熱敏電阻差，限制其在一些溫度變化比較快的場合下的應(yīng)用。主要影響因素是傳感器封裝和傳感器的安裝工藝。

(3)傳感器輕小型化封裝。本文中傳感器相對較大，具有進(jìn)一步小型化、輕型化的優(yōu)化空間。

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