薛淵澤, 王學(xué)鋒, 唐才杰, 藍(lán) 天

(1.北京航天控制儀器研究所,北京 100854；2.北京光纖傳感系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,北京 100094)

0 引 言

針對(duì)航空航天、石油化工、電力、冶煉等高溫領(lǐng)域的測(cè)量需求,國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)展了耐高溫光纖光柵的研究。耐高溫光纖光柵的種類(lèi)主要有IIA型光纖光柵、II型光纖光柵、特殊摻雜類(lèi)型光纖光柵、飛秒激光刻寫(xiě)光纖光柵以及再生光纖Bragg光柵(regenerated fiber Bragg grating,RFBG)等[1～11]。其中,再生光纖光柵是通過(guò)對(duì)I型光纖光柵進(jìn)行特定退火處理得到的,具有制作簡(jiǎn)單、成本低廉、光譜特性良好等優(yōu)勢(shì),滿足最高800～1000℃高溫環(huán)境的測(cè)量需求[12]。

再生光纖光柵雖然解決了普通I型光纖光柵高溫?zé)崴ネ说膯?wèn)題,但光纖經(jīng)高溫退火后機(jī)械強(qiáng)度降低、易斷裂,需要對(duì)再生光纖光柵進(jìn)行可靠封裝保護(hù)后才滿足實(shí)際應(yīng)用條件。2011年,Adamovsky G等人[13]經(jīng)過(guò)1 000 ℃退火制作了再生光纖光柵,采用兩層陶瓷管的方式進(jìn)行封裝,經(jīng)過(guò)150～800 ℃的溫度標(biāo)定,給出該光纖光柵溫度傳感器的三階擬合曲線；2012年,Barrera D等人[14]利用陶瓷管和鎳合金管對(duì)再生光纖光柵進(jìn)行了封裝,該傳感器最高測(cè)試溫度達(dá)1 000 ℃,誤差為±5 ℃；2014年,Silva E V D等人[15]使用鋼管對(duì)再生光纖光柵進(jìn)行了封裝保護(hù),用于水力發(fā)電機(jī)軸承的溫度梯度監(jiān)測(cè),但其測(cè)試溫度僅達(dá)到80 ℃。

本文針對(duì)光纖光柵高溫再生后易斷裂的問(wèn)題,開(kāi)展了高溫再生光纖光柵溫度傳感器封裝技術(shù)研究。提出了一種石英—陶瓷管封裝的高溫再生光纖光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu),光纖和封裝材料的熱膨脹系數(shù)匹配性好,有利于減小光纖受到的應(yīng)力影響。通過(guò)對(duì)石英—陶瓷管封裝后的光纖光柵進(jìn)行1 000 ℃高溫退火,得到了高溫再生光纖光柵溫度傳感器,并對(duì)該高溫再生光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行了標(biāo)定,對(duì)溫度測(cè)量精度和高溫穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。

1 高溫再生光纖光柵傳感器設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)高溫溫度傳感器的封裝結(jié)構(gòu)時(shí),需要考慮兩方面的內(nèi)容：封裝結(jié)構(gòu)對(duì)光纖光柵的影響,如是否對(duì)光纖光柵存在應(yīng)力干擾；封裝材料自身的耐高溫性能以及與光纖的匹配性[16]。

為了使得光纖光柵溫度傳感器不受應(yīng)力的影響,選取單端管式封裝的結(jié)構(gòu),封裝結(jié)構(gòu)一端封口,光纖光柵位于封裝結(jié)構(gòu)的頂端,在管內(nèi)處于自由狀態(tài),光纖另一端與封裝結(jié)構(gòu)粘接,如圖1所示。

圖1 高溫再生光纖光柵傳感器封裝結(jié)構(gòu)

常見(jiàn)的耐高溫封裝材料中單端封口、小直徑的鎢管和鎳合金管的定制成本高、周期長(zhǎng),本文最終選擇了高溫性能好的310 S不銹鋼管、剛玉陶瓷管和石英管進(jìn)行光纖光柵溫度傳感器的封裝。

光纖在封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)不可避免地與封裝結(jié)構(gòu)存在接觸點(diǎn),光纖與封裝結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)不匹配可能導(dǎo)致光纖受到封裝結(jié)構(gòu)的摩擦力影響,降低溫度測(cè)量精度。從這方面考慮,石英材料與光纖的熱膨脹系數(shù)基本一致,是較理想的封裝材料；但石英管的機(jī)械強(qiáng)度較差,為了提高傳感器的機(jī)械強(qiáng)度,將石英管作為雙層管式封裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)層、將陶瓷管作為外層。實(shí)驗(yàn)開(kāi)展了石英—陶瓷封裝再生光纖光柵溫度傳感器的實(shí)驗(yàn)；同時(shí),選用310 S不銹鋼管作為封裝材料進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2 再生光纖光柵溫度傳感器實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用248 nm的KrF準(zhǔn)分子激光器結(jié)合相位掩模技術(shù)在載氫的普通通信單模光纖上寫(xiě)入I型光纖布拉格光柵,然后通過(guò)高溫管式封裝方式進(jìn)行封裝,并通過(guò)高溫退火制備耐高溫的再生光纖光柵溫度傳感器。

實(shí)驗(yàn)采用Fluke公司生產(chǎn)的9150式熱電偶干式爐對(duì)封裝的光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行退火,退火溫度為1 000 ℃,升溫速率為35 ℃/min。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,采用Micron Optics公司生產(chǎn)的SM125光纖光柵解調(diào)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄光纖光柵的反射譜。

2.2 不銹鋼封裝的再生光纖光柵溫度傳感器

采用內(nèi)外兩層310 s不銹鋼管對(duì)紫外刻寫(xiě)的I型光纖光柵進(jìn)行如圖1所示的封裝,其中,內(nèi)層管的內(nèi)徑和外徑分別為0.2 mm和0.4 mm；外層管的內(nèi)徑和外徑分別為0.6 mm和1.2 mm,310 S不銹鋼管封裝的光纖光柵傳感器如圖2所示。

圖2 310 s不銹鋼管封裝光纖光柵傳感器

將310 s不銹鋼管封裝的光纖光柵溫度傳感器放入高溫爐中進(jìn)行退火處理,光纖光柵反射光譜徹底消失后未出現(xiàn)再生。對(duì)310 s不銹鋼管封裝的光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行拆解和問(wèn)題排查,在拆解過(guò)程中發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)高溫退火后部分光纖已附著在不銹鋼管內(nèi)壁上。將光纖取出后進(jìn)行測(cè)試,通入紅光,在光纖光柵刻寫(xiě)位置之前的傳輸光纖段出現(xiàn)紅光泄漏,說(shuō)明310 s不銹鋼管不適合用于1 000 ℃高溫光纖光柵溫度傳感器的封裝。

2.3 石英—陶瓷封裝的再生光纖光柵傳感器

采用內(nèi)層為石英管、外層為剛玉陶瓷管對(duì)紫外刻寫(xiě)的I型光纖光柵進(jìn)行如圖1所示的封裝,其中,內(nèi)層管的內(nèi)徑和外徑分別為0.3 mm和3 mm；外層管的內(nèi)徑和外徑分別為4 mm和6 mm,如圖3為石英—陶瓷封裝的光纖光柵傳感器。

圖3 石英—陶瓷封裝光纖光柵傳感器

將石英—陶瓷管封裝后的光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行高溫退火處理,退火過(guò)程中溫度變化及光柵反射率變化情況中使用的光纖光柵在室溫下的初始中心波長(zhǎng)為1 535.099 nm,反射率為91.4 %,-3 dB帶寬為0.23 nm。在溫度達(dá)到600 ℃時(shí),光柵反射峰強(qiáng)度開(kāi)始出現(xiàn)明顯降低,1 000 ℃保持約5 min后,光柵反射強(qiáng)度降到最低,反射譜被淹沒(méi)在噪聲中,無(wú)法識(shí)別。并經(jīng)過(guò)約30 s左右,光柵反射譜再次出現(xiàn),即再生光纖光柵形成,并在8 min后再生光柵反射強(qiáng)度保持穩(wěn)定。

圖4為室溫下光纖光柵退火再生前后的光譜圖對(duì)比。

圖4 室溫下光纖光柵退火前后反射光譜對(duì)比

光纖光柵完成高溫再生后,再生光纖光柵的反射峰相對(duì)于原始光纖光柵降低了13 dB,反射率約為5 %；-3 dB帶寬為0.12 nm。普通的光纖光柵解調(diào)儀的動(dòng)態(tài)范圍通常可達(dá)30 dB,高精度的光纖光柵解調(diào)儀的動(dòng)態(tài)范圍通?？蛇_(dá)50 dB；采用普通的光纖光柵解調(diào)儀即可滿足再生光纖光柵的測(cè)量要求。

3 高溫再生光纖光柵溫度傳感器性能測(cè)試

對(duì)上述制作的石英—陶瓷封裝再生光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行溫度傳感性能測(cè)試,經(jīng)過(guò)1 000 ℃高溫老化48 h后,再生光纖光柵傳感器性能趨于穩(wěn)定。對(duì)該傳感器進(jìn)行室溫至1 000 ℃的溫度標(biāo)定,選取溫度測(cè)試點(diǎn)間隔為100 ℃。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在大溫度變化范圍下,光纖光柵中心波長(zhǎng)隨溫度的變化出現(xiàn)一定的非線性,這是由于在大溫度變化范圍下時(shí),光纖光柵熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)不能再當(dāng)作常數(shù)處理,而是與溫度有關(guān)的變量[17]。選擇三階擬合方式對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,如圖5。

圖5 再生光纖光柵傳感器中心波長(zhǎng)隨溫度變化的三次擬合曲線

根據(jù)標(biāo)定曲線,選取熱電偶測(cè)試溫度150,350,550,750,950 ℃ 5個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行溫度傳感器精度測(cè)試。再生光纖光柵溫度傳感器測(cè)量溫度分別為151.1,348.3,549.4,751.2,947.4 ℃。兩者差值分別為-1.1,1.7,0.6,-1.2,2.6 ℃。經(jīng)過(guò)測(cè)試,該溫度傳感器精度在±3 ℃以?xún)?nèi)。

為了驗(yàn)證再生光纖光柵溫度傳感器在高溫測(cè)量時(shí)的穩(wěn)定性,將退火后的再生光纖光柵溫度傳感器放置在Fluke 9150式熱電偶干式爐(標(biāo)稱(chēng)溫度穩(wěn)定性±0.5 ℃)中保持1 000 ℃,采用SM125光纖光柵解調(diào)儀(標(biāo)稱(chēng)波長(zhǎng)測(cè)量精度±1 pm)測(cè)量再生光纖光柵溫度傳感器的中心波長(zhǎng),根據(jù)標(biāo)定曲線計(jì)算溫度。經(jīng)過(guò)5 h連續(xù)測(cè)試,再生光纖光柵溫度傳感器輸出溫度的最大偏差為±0.6 ℃。

4 結(jié) 論

針對(duì)光纖光柵高溫再生后機(jī)械強(qiáng)度降低、易斷裂的問(wèn)題,開(kāi)展了高溫再生光纖光柵溫度傳感器封裝技術(shù)研究。提出了一種石英—陶瓷管封裝的高溫再生光纖光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu),測(cè)試結(jié)果表明：該再生光纖光柵溫度傳感器反射光譜信號(hào)良好，測(cè)量精度優(yōu)于±3 ℃,1 000 ℃條件下5 h的穩(wěn)定性為±0.6 ℃,在航空航天、石油化工、電力、冶煉等高溫領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。