任 越,張鈺民,鐘國(guó)舜,宋言明,孟凡勇

(1.北京信息科技大學(xué) 光電信息與儀器北京市工程研究中心,北京 100016；2. 北京信息科技大學(xué) 光電測(cè)試技術(shù)與北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100192；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

電力系統(tǒng)、石油化工、航天航空等領(lǐng)域的溫度監(jiān)測(cè)至關(guān)重要,傳統(tǒng)的溫度傳感器在復(fù)雜的測(cè)溫環(huán)境中易受電磁干擾和惡劣環(huán)境的損害,不利于長(zhǎng)期穩(wěn)定工作[1-3]。光纖光柵是一種結(jié)構(gòu)緊湊的傳感元件,相對(duì)傳統(tǒng)的電類傳感器而言,它具有抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、重量輕、可多路復(fù)用等優(yōu)點(diǎn),適合于惡劣環(huán)境下的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)[4-6]。

光纖光柵的有機(jī)物涂覆層無法長(zhǎng)時(shí)間存在于300 ℃以上的高溫環(huán)境,抗剪切能力差,使用時(shí)需要對(duì)傳感器進(jìn)行特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和封裝保護(hù)[7-10],因此國(guó)內(nèi)外研究人員開展了大量封裝技術(shù)的研究工作。詹亞歌等人[11]采用線性膨脹系數(shù)不同的兩種金屬和光纖光柵組成傳感頭,將溫度轉(zhuǎn)化為應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量,可以實(shí)現(xiàn)0～500 ℃的測(cè)量,但是該傳感器響應(yīng)速度較慢。王宏亮等人[12]選用Ni基恒彈合金作為光纖光柵的基底材料和耐高溫耐腐蝕的膠封裝,實(shí)現(xiàn)了0～315 ℃的測(cè)量范圍和0.02 nm/ ℃的溫度靈敏度。饒春芳等人[13]研究了鍍鎳光纖光柵的溫度傳感特性,溫度測(cè)量極限可以達(dá)到300 ℃,但是鍍鎳過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力使得回程誤差較大。張智禹等人[14]利用絕熱材料對(duì)柵區(qū)封裝,制作了一種耐高溫光纖光柵溫度傳感器,溫度靈敏度為0.005 nm/ ℃,測(cè)量溫度可達(dá)310 ℃。Mamidi V R等人[15]利用不銹鋼管和陶瓷管封裝飛秒刻寫的光纖光柵,測(cè)量溫度范圍為20～650 ℃,分辨率為1 ℃。Hsiao T C等人[16]采用濺射技術(shù)將氮化鉻涂覆在光纖光柵上,成功制備了一種新型高溫傳感器,該傳感器在100～650 ℃的范圍內(nèi)波長(zhǎng)與溫度呈線性關(guān)系,傳感器的靈敏度約為14.0 pm/ ℃,線性度為0.992。

本文采用不銹鋼管制作了一種耐高溫光纖光柵傳感器,實(shí)驗(yàn)表明該傳感器測(cè)量溫度可達(dá)到450 ℃,具有很好的線性度和重復(fù)性,分辨率高,性能穩(wěn)定,機(jī)械性能好,便于安裝,可用于工程中的高溫測(cè)量。

2 光纖光柵傳感器工作原理

根據(jù)光纖耦合模理論,當(dāng)一束寬帶光入射到光纖光柵,滿足布拉格條件的光被反射回來,反射波長(zhǎng)被稱為布拉格波長(zhǎng),表示為:

λB=2neffΛ

(1)

式中,λB為光纖光柵的中心波長(zhǎng);neff為纖芯的有效折射率;Λ為光纖光柵周期。從式(1)可以看出當(dāng)有效折射率neff和光柵周期Λ發(fā)生變化時(shí),中心波長(zhǎng)就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。當(dāng)光纖光柵只受溫度變化時(shí),中心波長(zhǎng)的相對(duì)變化率可以寫為:

(2)

式中,αf為光纖光柵的熱膨脹系數(shù);ξf為光纖光柵的熱光系數(shù);ΔT為傳感器溫度的變化量。對(duì)于純石英光纖,αf≈0.55×10-6/ ℃,ξf≈6.67×10-6/ ℃,光纖光柵中心波長(zhǎng)為1550 nm的光柵的溫度靈敏度系數(shù)約為11.19 pm/ ℃。

3 傳感器封裝及實(shí)驗(yàn)過程

將飛秒激光刻寫的純石英光纖光柵用用無水乙醇反復(fù)擦拭后備用,選用直徑1 mm,長(zhǎng)200 mm的不銹鋼管作為保護(hù)套管。封裝前將353 ND雙組分按比例混合調(diào)勻,靜置10 min至氣泡消失以便使用。

傳感器的封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示,將去除一端尾纖光纖光柵伸入不銹鋼管中,然后在另外一端插入5 mm的碳纖維套管,用備好的高溫膠將光纖與纖維套管和不銹鋼管固定。此時(shí),位于不銹鋼管內(nèi)的光纖光柵處于自由狀態(tài),確保不受外界應(yīng)力的影響。位于不銹鋼管外部的光纖通過玻璃纖維和耐高溫金屬屏蔽線保護(hù),然后將不銹鋼插件和保護(hù)彈簧安裝,用高溫膠固定。封裝后的傳感器如圖2所示。將封裝好的傳感器在500 ℃的高溫箱內(nèi)放置5 h進(jìn)行退火處理。

圖1 光纖光柵溫度傳感器封裝結(jié)構(gòu)Fig.1 Fiber Bragg grating temperature sensor package structure diagram

圖2 光纖光柵傳感器封裝實(shí)物圖Fig.2 Fiber Bragg grating temperature sensor package physical picture

為測(cè)試傳感器的高溫溫度特性,搭建如圖3所示的溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)中使用的高溫實(shí)驗(yàn)箱型號(hào)為TMX-12L-12,其額定溫度為1100 ℃,精度為:±1 ℃,信號(hào)采集設(shè)備為BaySpec解調(diào)儀,其波長(zhǎng)范圍為1525～1565 nm,分辨率為1 pm。將封裝好的光纖光柵溫度傳感器放入高溫實(shí)驗(yàn)箱中,寬帶光源的光經(jīng)過環(huán)行器入射到光纖光柵傳感器中,經(jīng)傳感器反射后的光信號(hào)進(jìn)入解調(diào)儀中。

實(shí)驗(yàn)溫度范圍為100～450 ℃,均勻分布8個(gè)標(biāo)定點(diǎn),初始溫度為100 ℃,升溫溫度間隔為50℃,每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)為60 min,在溫度穩(wěn)定階段用解調(diào)儀采集數(shù)據(jù),每1 min采集一次數(shù)據(jù)。進(jìn)行四次重復(fù)實(shí)驗(yàn),將每次實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定階段波長(zhǎng)的平均值作為光纖光柵溫度傳感器在該標(biāo)定點(diǎn)的中心波長(zhǎng)值。

圖3 溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Temperature calibration test system

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

光纖光柵溫度傳感器四次升溫實(shí)驗(yàn)中心波長(zhǎng)與時(shí)間關(guān)系如圖4所示,從圖中可以看出200 ℃以上傳感器具有很好的穩(wěn)定性,200 ℃以下傳感器中心波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)波動(dòng),而此低溫段的波長(zhǎng)波動(dòng)是由高溫箱本身的溫度不穩(wěn)定造成的。

圖4 波長(zhǎng)隨時(shí)間變化的曲線Fig.4 Curve of wavelength over time

傳感器四次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中心波長(zhǎng)隨溫度變化的曲線如圖5所示。從圖中可以看出每次實(shí)驗(yàn)中心波長(zhǎng)與溫度之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.995,將四次實(shí)驗(yàn)靈敏度的平均值作為該傳感器的靈敏度,則該傳感器的靈敏度為12.7 pm/ ℃。

傳感器每個(gè)溫度標(biāo)定點(diǎn)的中心波長(zhǎng)值與該點(diǎn)四次實(shí)驗(yàn)中心波長(zhǎng)平均值的差值的變化關(guān)系如圖6所示,從圖中可以看出每個(gè)溫度標(biāo)定點(diǎn)中心波長(zhǎng)的變化都不大,差值較大的點(diǎn)出現(xiàn)在200 ℃以下的溫度點(diǎn),最大值為-6.68 pm,其他點(diǎn)的差值不超過±4 pm,而且四次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)均體現(xiàn)這一特點(diǎn)。忽略高溫實(shí)驗(yàn)箱在200 ℃以下本身不穩(wěn)定因素的影響,該高溫光纖光柵傳感器具有良好的溫度重復(fù)性。

圖5 中心波長(zhǎng)隨溫度變化的曲線Fig.5 Curve of the central wavelength changing with temperature

圖6 傳感器重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.6 Sensor repeatability data

考慮到實(shí)驗(yàn)使用的解調(diào)設(shè)備分辨率為1 pm,精度為7 pm,該傳感器的溫度靈敏度為12.7 pm/ ℃,表明該光纖光柵高溫傳感器的分辨率為0.0787 ℃。

5 結(jié) 論

本文采用不銹鋼管保護(hù)封裝的方法制作了光纖光柵高溫溫度傳感器。在100～450 ℃的溫度范圍內(nèi)研究了傳感器的溫度特性,其溫度靈敏度系數(shù)為12.7 pm/ ℃,線性相關(guān)系數(shù)超過0.995,溫度分辨率為0.0787 ℃,具有很好的重復(fù)性。該封裝方法操作簡(jiǎn)單、快捷,良好的重復(fù)性,保證了其長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下對(duì)溫度的監(jiān)控,具有良好的實(shí)際應(yīng)用前景。