朱星盈， 倪 屹， 郭 瑜， 劉化利， 李岱林

(1.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214000； 2.無(wú)錫必創(chuàng)傳感科技有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000)

0 引 言

由于光纖光柵具備高精度、現(xiàn)場(chǎng)不供電、遠(yuǎn)距離傳輸、全光測(cè)量、本質(zhì)安全、不受雷擊、不受電磁干擾、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感技術(shù)從20世紀(jì)末至今的幾十年里發(fā)展極為迅速，除了應(yīng)用到常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[1]，同時(shí)也開(kāi)始應(yīng)用在如應(yīng)變點(diǎn)定位、光纖超聲傳感、液體濃度測(cè)量、溫度測(cè)量等其他新的領(lǐng)域[2～4]。而光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)溫度傳感器在結(jié)構(gòu)上可以分為管式結(jié)構(gòu)[5]、基片式[6]、壓力式[7]等。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)于普通的光纖光柵當(dāng)溫度超過(guò)250 ℃時(shí)涂覆層會(huì)出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，因此，在設(shè)計(jì)中采用金屬化封裝FBG焊接在新型封裝基片上，傳統(tǒng)的光纖光柵封裝工藝是將制作好的光纖光柵經(jīng)二次涂覆后，用膠黏劑將其封裝在被測(cè)物的表面或埋入被測(cè)物內(nèi)部[8]，但此封裝用的膠黏劑屬于有機(jī)物，在惡劣環(huán)境下容易老化分解，不利于光纖光柵傳感器在惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期使用；其次，當(dāng)光纖光柵用于傳感測(cè)量時(shí)，膠黏劑和光纖涂覆層都會(huì)在測(cè)量中產(chǎn)生冗余，導(dǎo)致測(cè)量線性和重復(fù)性差；一般膠黏劑受環(huán)境影響較大，如溫度變化和水浸入使其粘結(jié)強(qiáng)度下降甚至脫落[9]。金屬化光纖是指在光纖光柵外表面鍍鎳金屬，鍍層厚度滿足焊接要求后，能直接將FBG焊接在傳感器基片或是被測(cè)物體上。同時(shí)也解決了溫度與應(yīng)力交叉影響的問(wèn)題。

本文利用材料的優(yōu)勢(shì)與封裝的特點(diǎn)對(duì)FBG的溫度傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了溫度量程可調(diào)的功能，實(shí)驗(yàn)后對(duì)溫度與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合，線性度可以達(dá)到0.999 9以上，同比于陳淑華等人研制的線性度為0.998 8的雙套管式FBG溫度傳感器[10]實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度與可靠性更高，已經(jīng)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的水平。

1 原理結(jié)構(gòu)與分析

1.1 傳感原理

FBG波長(zhǎng)的漂移量Δλ與其軸向所受應(yīng)變?chǔ)う藕蜏囟鹊淖兓的關(guān)系為

Δλ=λ(1-ρe)Δε,Δλ=λ(1+ξ)ΔT

(1)

式中λ為光纖中心波長(zhǎng)；pe為光纖彈光系數(shù)；ξ為光纖熱光系數(shù)，且各數(shù)值的大小只與材料本身有關(guān)，與溫度無(wú)關(guān)。

由于FBG的熱敏感系數(shù)比其應(yīng)變敏感系數(shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)，且FGB受到表觀熱應(yīng)變的影響，在受到外界應(yīng)力變化時(shí)溫度偏離參考溫度所引入的波長(zhǎng)的位移很難與施加在光柵上的純機(jī)械應(yīng)力相互區(qū)別。由于這種現(xiàn)象廣泛存在，所以會(huì)影響溫度傳感器的測(cè)量精度。假設(shè)參考溫度為T0若整體不受外部機(jī)械載荷的作用，由于FBG與宿主結(jié)構(gòu)之間的熱膨脹系數(shù)失配將產(chǎn)生附加應(yīng)變。該軸向應(yīng)力可表示為

Δσ=YF(αH-αΛ)ΔT

(2)

式中YF為光纖彈性模量，αH為宿主結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)，αΛ為光纖熱膨脹系數(shù)?？梢?jiàn)不考慮宿主結(jié)構(gòu)溫度與應(yīng)力交叉的影響，F(xiàn)BG的溫度與波長(zhǎng)可以看作正比關(guān)系。

如圖1所示為傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，金屬化FBG焊接在封裝基片上，其周圍采用溫度敏感外殼，通過(guò)真空隔熱內(nèi)旋裝置向下的旋緊后可以主要將溫度測(cè)量的量程分為200，400，600，800，1 000 ℃共5檔，既滿足對(duì)溫度測(cè)量大量程的要求又滿足其高精度的要求。外界溫度通過(guò)溫敏材料傳遞到金屬化FBG上，通過(guò)溫度傳遞面積的差異會(huì)產(chǎn)生不同的調(diào)制波長(zhǎng)，通過(guò)光譜分析儀解調(diào)出相應(yīng)波長(zhǎng)，再經(jīng)過(guò)標(biāo)定的關(guān)系來(lái)計(jì)算所對(duì)應(yīng)的溫度。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意

1.2 基片結(jié)構(gòu)有限元分析

為了避免無(wú)關(guān)參數(shù)的影響封裝基片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在考慮其測(cè)量性能的同時(shí)，還應(yīng)考慮加工、封裝等工藝過(guò)程，也需要考慮材料的機(jī)械加工等性能。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)三維圖如圖2。

圖2 封裝基片結(jié)構(gòu)三維圖

裝置選取了TC4的鈦合金材料，這種材料的彈性模量與一些常見(jiàn)的金屬材料(如不銹鋼等)相比較小，測(cè)量時(shí)可以提高精度，其優(yōu)勢(shì)還在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用圓弧狀的緩存結(jié)構(gòu)，不但減小了材料自身重力的影響，還能控制溫度測(cè)量梯度的變化可以應(yīng)用在外界環(huán)境復(fù)雜的情況。

宿主結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)較小，對(duì)光纖本身應(yīng)變的影響可忽略不計(jì)，將其在ANSYS中進(jìn)行溫度從0～100 ℃的仿真，應(yīng)變結(jié)果如圖3。

圖3 封裝基片應(yīng)變有限元分析結(jié)果

仿真結(jié)果表明：在較大溫度變化范圍內(nèi)，封裝基片最大的微應(yīng)變?yōu)?.073×10-6，遠(yuǎn)小于光纖本身的應(yīng)變;采用所選材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝的傳感器在溫度測(cè)量過(guò)程中可以避免溫度與應(yīng)力交叉誤差的影響。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)原理如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)原理

在實(shí)驗(yàn)中采用了3組傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中一組、二組實(shí)驗(yàn)用于測(cè)試裝置的可靠性，一組、三組測(cè)試在不同檔位下的精度與線性度，為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，用初始波長(zhǎng)為1 541 nm左右的金屬化光纖進(jìn)行封裝，取溫度穩(wěn)定后波長(zhǎng)的平均值。一、二組的溫度變化設(shè)置成0～100 ℃，10 ℃為一個(gè)階梯，而第三組的溫度變化設(shè)置為0～200 ℃，20 ℃為一個(gè)階梯，穩(wěn)定時(shí)間為10 min。將3組溫度穩(wěn)定后光纖分析儀中讀取的數(shù)據(jù)整理后，通過(guò)Origin對(duì)波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，擬合的結(jié)果如圖5所示。軟件計(jì)算可知，第一組傳感器的線性度為0.999 8，第二組線性度為0.999 9，第三組的線性度為0.999 9，經(jīng)過(guò)計(jì)算一、二組傳感器的精度約為20 pm/℃，同時(shí)對(duì)第二組傳感器的波長(zhǎng)殘差指標(biāo)進(jìn)行分析，第二組傳感器的波長(zhǎng)殘差如圖6所示。

圖5 3組溫度與波長(zhǎng)擬合關(guān)系

圖6 第二組傳感器波長(zhǎng)殘差分析

由擬合結(jié)果可以看出，金屬化焊接的FBG溫度傳感器的線性度很好，且在不同檔位處的滿量程精度幾乎相等。傳感器的殘差可以在0.01 nm以內(nèi)，經(jīng)過(guò)計(jì)算滿量程精度達(dá)到0.05 %，相比于許多同類傳感器提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 結(jié) 論

本文對(duì)有限元仿真的結(jié)果可知新型的封裝基片在結(jié)構(gòu)上對(duì)減小無(wú)關(guān)變量影響的效果非常好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自旋量程可調(diào)式金屬化FBG溫度傳感器設(shè)計(jì)的精度約為20 pm/℃，線性度最高可達(dá)到0.999 9以上，同時(shí)兼?zhèn)?檔測(cè)溫的優(yōu)勢(shì)。在材料的選取利用新型材料TC4可以使得封裝基片的彈性更好；真空隔熱材料可以有效對(duì)傳感器內(nèi)的接觸溫度進(jìn)行減敏；金屬化FBG可以耐高溫與抗老化；同時(shí)測(cè)量結(jié)果的線性度相比國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品較高，滿量程精度也可達(dá)到0.05 %，可以廣泛應(yīng)用在大型結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)、糧庫(kù)測(cè)溫、石油化工及管道、電纜接頭溫度監(jiān)測(cè)、油、水、氣等液體溫度測(cè)量等領(lǐng)域。