張登攀， 秦 鋼,， 王永杰， 王 力， 安 佳， 彭丹丹

(1.河南理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.中國科學(xué)院 半導(dǎo)體研究所 傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室，北京 100083)

0 引 言

海水溫深是海洋環(huán)境監(jiān)測中重要的參數(shù)[1]，獲取該參數(shù)常受環(huán)境因素變化的影響，要想獲得海水中各種冷水團及中尺度旋渦的溫深剖面信息[2]，傳統(tǒng)使用的投棄式溫度剖面測量儀XBT，由于其傳感探頭存在漏水漏電的風(fēng)險[3]，深度數(shù)據(jù)也容易受海底浪流和溫度變化的影響，計算誤差較大[4]。而船載拖曳式光纖光柵傳感器具有抗干擾能力強、靈敏度高、體積小、本征絕緣及連續(xù)測量和多傳感分布式測量等優(yōu)點[5]，能夠準(zhǔn)確、細(xì)致刻畫冷水團及中尺度旋渦的溫深剖面信息，適合在海洋環(huán)境中的應(yīng)用。

2016年7月，課題組在北黃海區(qū)域進行了光纖布拉格光柵(fiber Bragg fiber,FBG)壓力和溫度傳感器拖曳試驗研究，并完成FBG壓力傳感器和參考壓力傳感器亞力克(ALEC)的比對測試。通過數(shù)據(jù)的擬合處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)在中尺度旋渦、鋒面等溫度驟變海域溫度突然發(fā)生變化時，F(xiàn)BG壓力傳感器與參考壓力傳感器ALEC的測量偏差會立即增大，而當(dāng)溫度變化不明顯時，卻無上述現(xiàn)象。分析原因是由于FBG壓力傳感器和FBG溫度傳感器對溫度的響應(yīng)時間不一致，導(dǎo)致FBG壓力傳感器測量誤差的產(chǎn)生[6]。

針對傳感器對溫度響應(yīng)不一致的問題，本文主要從3個方面進行研究：1)設(shè)計出一種新型的雙光纖光柵壓力傳感器，把溫補和壓力光纖光柵平行封裝在傳感器邊緣和中心位置，使它們受到溫度影響一致；2)將封裝好的傳感器進行溫度和壓力靈敏度標(biāo)定，便于確定傳感器溫度補償后的壓力系數(shù)；3)在實驗室內(nèi)對傳感器進行溫度響應(yīng)時間測試，并通過海試驗證，使其與參考壓力傳感器ALEC進行比測，來驗證其溫度響應(yīng)是否一致。

1 傳感器的設(shè)計和封裝

為了滿足高靈敏度、耐水壓和響應(yīng)特性等相關(guān)要求，新型雙FBG壓力傳感器采用膜片式的結(jié)構(gòu)增敏技術(shù)。相比傳統(tǒng)封裝方法，存在穩(wěn)定性欠佳、不適合動態(tài)測量、高溫容易老化及不易串接等缺點[7，8]，膜片式封裝在大量程和高靈敏度實現(xiàn)上有著良好效果，可以用于動態(tài)拖曳測量。雙FBG壓力傳感器上采用金屬化處理后的光纖光柵，利用激光焊接將它們并行焊接在膜片中心位置和邊緣位置上(溫補光纖光柵不接觸膜片，只焊接在基座上)。圖1是FBG壓力傳感器的示意圖和實物圖。

圖1 光纖光柵傳感器示意與實物

2 理論計算

經(jīng)過特殊的封裝，F(xiàn)BG壓力傳感器的熱光系數(shù)并沒有發(fā)生變化，其熱膨脹導(dǎo)致應(yīng)力發(fā)生了變化。封裝之后溫度和波長的關(guān)系為

ΔλB=λB[α+ξ+(1-Pe)(αsub-α)]ΔT

(1)

而FBG壓力傳感器將水壓變化量轉(zhuǎn)換為FBG軸向應(yīng)變，通過檢測相應(yīng)的波長變化，還原海水壓強信號的信息。FBG諧振波長的改變與光纖軸向應(yīng)變εf的關(guān)系為[11]

Δλ=(1-Pe)λBεf

(2)

式中λB為諧振波長，Pe為光纖的彈光系數(shù)。

假設(shè)不破壞其中熱平衡，膜片式圓筒封裝的傳感器其管壁的溫度分布均勻，溫度對時間的微分方程為[10]

(3)

式中Tf為環(huán)境溫度，T為金屬管壁溫度，Γ為水與金屬表面的換熱系數(shù)，A為金屬膜片管的表面積，ρ，cp，V分別為金屬外殼管的密度、比熱容和體積。

3 實驗測試

3.1 傳感器溫度測試

如圖2所示是溫度標(biāo)定的實驗裝置示意圖。

圖2 FBG傳感器實驗裝置

為確定FBG壓力傳感器對溫度的敏感程度，對封裝好的傳感器進行溫度靈敏度標(biāo)定。標(biāo)定是在恒溫水浴槽內(nèi)進行，通過選用SBE56來作為參考溫度傳感器。在2～35 ℃區(qū)間上選擇8個溫度點，并確定每個溫度點上的穩(wěn)定時間不低于1 h，取各個穩(wěn)定溫度點2 min的平均數(shù)，來確定溫度和波長變化的對應(yīng)關(guān)系，通過用Origin數(shù)據(jù)處理軟件的二次擬合得到圖3，其雙FBG壓力傳感器的溫補和壓力光纖光柵溫度靈敏度分別為29.11,28.80 pm/℃，擬合線性度R2均為0.999 99。

圖3 溫度—波長二次擬合曲線

3.2 傳感器壓力測試

3.2.1 傳感器溫補光纖光柵耐壓測試

為了驗證傳感器溫補光纖光柵的中心波長是否受到外界壓力的影響，在實驗室對傳感器進行壓力標(biāo)定測試。實驗中,使用壓力罐進行壓力標(biāo)定，SBE56溫度傳感器作為參考溫度，共選取9個壓力點分別進行加壓和減壓測試，壓力范圍0～0.8 MPa，每次升高0.1 MPa。

可以看出:去掉溫度變化的影響后，傳感器的溫補光纖光柵在0～0.8 MPa的壓力范圍內(nèi)，其中心波長僅漂移了0.01 pm，而溫補傳感光纖光柵不在膜片上，是由于參考傳感器SBE56的測量誤差才造成的，確定溫補光纖光柵不受外界壓力的影響。對2只傳感器的溫度補償光纖進行耐壓測試，如圖4所示。

圖4 壓力傳感器中溫度補償光纖光柵的耐壓測試

3.2.2 傳感器壓力標(biāo)定測試

由于傳感器的壓力和溫補光纖光柵都并行封裝在傳感器上，在不受壓力的情況下，它們的中心波長受溫度影響變化量是一致的。因此，當(dāng)受外界壓力時，傳感器可以通過自身的溫補光纖光柵中心波長變化量，來對壓力光纖光柵進行溫度補償。

為了確定壓力傳感器靈敏度，即所測壓力值與溫補過的壓力光纖光柵中心波長的對應(yīng)關(guān)系，需要進行壓力標(biāo)定測試，加壓過程和上述一樣。通過Origin數(shù)據(jù)處理軟件擬合得到圖5，結(jié)果表明：靈敏度達959.017 pm/MPa，其線性擬合度R2為0.999 9，重復(fù)性好，適用于較高海水壓力測量。

圖5 FBG壓力傳感器的波長—壓力二次擬合曲線

一般用于海洋測試的FBG壓力傳感器，1 MPa對應(yīng)海水深度大約為100 m。當(dāng)FBG壓力傳感器沒有進行溫度補償時，其環(huán)境溫度每變化1℃，其自身波長漂移量為28.80 pm， FBG壓力傳感器靈敏度為959 pm/MPa，相應(yīng)壓力變化為0.030 MPa，深度誤差可達到3.0 m。因此，在壓力測量過程中，為減小測量誤差，對FBG壓力傳感器進行實時準(zhǔn)確溫度補償是極其必要的，解決響應(yīng)時間不一致問題則是本文主要研究目的。

3.3 傳感器溫度響應(yīng)時間測試

將FBG壓力及其溫補傳感器從冷水槽迅速移至高溫水浴槽，通過溫度解調(diào)儀來實時監(jiān)測其溫度變化量。根據(jù)溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)的方法，響應(yīng)時間即達到穩(wěn)定溫度所需時間的63.2 %。如圖6所示，傳感器的溫補光纖的響應(yīng)時間為1.45 s，而壓力光纖的響應(yīng)時間為1.52 s,它們之間響應(yīng)時間差為0.07 s,基本接近一致。表明：新設(shè)計的雙光纖光柵壓力傳感器的溫度響應(yīng)特性良好，基本消除了傳感器響應(yīng)不一致而帶來傳感器測量誤差的影響。

圖6 FBG壓力傳感器溫度響應(yīng)時間

4 海試驗證

在2017年7月，在黃海海域進行拖曳實驗后，通過Original數(shù)據(jù)處理軟件得到圖7，傳感器的溫補光纖光柵和壓力光纖光柵對溫度響應(yīng)時間一致，即使在溫度突然變化情況下，也能實時準(zhǔn)確為FBG壓力傳感器進行溫度補償，溫度響應(yīng)不一致帶來測量誤差影響已經(jīng)基本消除，傳感器和ALEC之間相關(guān)性系數(shù)高達0.990 6。

圖7 FBG壓力傳感器和ALEC的數(shù)據(jù)曲線

5 結(jié) 論

本文針對FBG壓力及其溫補傳感器的溫度響應(yīng)不一致問題進行了研究。通過新設(shè)計封裝的雙光纖光柵壓力傳感器，使溫度響應(yīng)時間接近一致。先對傳感器進行溫度和壓力靈敏度進行標(biāo)定，確定傳感器溫度補償后的壓力系數(shù)。經(jīng)過響應(yīng)時間測試，傳感器的溫補光纖光柵和壓力光纖光柵對溫度響應(yīng)時間分別為1.45 s和1.52 s。通過海試驗證，傳感器對溫度動態(tài)響應(yīng)特性良好，基本消除壓力傳感器的應(yīng)變—溫度交叉敏感問題所帶來影響。滿足海洋溫深剖面測量的要求，對于海洋環(huán)境的研究有著重要意義。