王 瑨 何 昕 王艷鳳 王永杰

（1.黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封 475004；2.中國科學院半導體研究所，北京 100083）

海水溫度是海洋環(huán)境調查中一個最基本的物理量，其對海洋生態(tài)、軍事以及漁業(yè)發(fā)展具有重要的研究意義。因海洋環(huán)境的特殊性，獲取這一參數面臨一系列的問題[1]。若想提高整個測溫系統的精度，就要求所選用的測溫傳感器具有較高的靈敏度和較小的時間常數[2]。在傳統的海水溫度測量中，熱敏電阻和鉑電阻由于其較高的測試精度和連續(xù)測量的特性得到了工程師和科學家的一致青睞。但是，鉑電阻的時間常數是十幾秒[3]，熱敏電阻雖可實現毫秒級別，但其在測試過程中電流會很大且出現很難控制的現象[4]。比較光纖傳感器和電學傳感器，前者在實際應用中表現出靈敏度高、體積小、多參數敏感、抗腐蝕、本征絕緣、光路可彎曲、易復用和便于遙測等優(yōu)勢[5-6]。同時，已有報道的FBG溫度傳感器的時間常數可達到幾秒[7]。先進國家的海洋環(huán)境測溫傳感器的時間常數可達到60~70 ms, 而我國也有方案可實現毫秒級別[8-10]，但大部分仍停留在1000 ms左右。文中所介紹的FBG溫度傳感器采用特殊封裝結構，溫度靈敏度可達27.21 pm/℃,響應時間可達67.5 ms。同時, 因FBG特有的傳感優(yōu)勢，其將在海洋快速測溫領域中發(fā)揮重要作用。

1. 光纖布拉格光柵傳感原理

光纖布拉格光柵基于光纖的光敏性原理，制作時通過紫外光照射使纖芯的折射率發(fā)生周期性改變，進而在纖芯內部形成空間相位光柵。因此，它是一種纖芯折射率沿其軸向周期性分布的光纖，本質上可認為FBG是一種能夠進行波長選擇的窄帶反射器，結構如圖1所示。

圖1 光纖Bragg光柵結構

由光纖光柵耦合模理論可知，光纖布拉格光柵將入射基模與反向透射基模耦合，得到光纖光柵波長選擇性反射函數[11]，基本方程為:

由上式可知，光纖光柵中心波長 取決于柵區(qū)纖芯的有效折射率 和周期。

當有光纖光柵滿足上述公式時，光就會被反射，反射光的波長可由光譜儀或解調儀測得，這樣就能知道FBG中心波長的變化。

1.1 溫度和應力傳感原理

當外界參量如溫度、應力等發(fā)生變化時，光纖光柵的中心波長也會相應發(fā)生線性化漂移。通過對中心波長變化的測量，便可達到對外界溫度、應力等環(huán)境參數的測量，如公式（2）。

裸光纖布拉格光柵的溫度靈敏度系數為10 pm/℃,應變系數為1.2 pm/μ ε。裸光纖光柵的直徑僅為125μ m,在實際惡劣的工程應用中極易損傷，必須對其進行保護性和增敏性封裝，才能夠保證其表現出更穩(wěn)定更可靠的傳感性能，也才能夠延長其使用壽命。

1.2 溫度和應力交叉敏感

光纖布拉格光柵感受作用在其上的溫度和應力時,中心波長都會發(fā)生線性漂移，因此,存在溫度和應力交叉敏感的問題。當布拉格光柵用于實際環(huán)境測量時，必須采取措施進行補償或者區(qū)分，這就嚴重限制了Bragg光柵的廣泛使用，在很多研究報告中也給出了相應的解決方案。

本研究采用一種特殊的封裝結構，可較好地解決應力對溫度測量的影響，因此，僅需考慮溫度單獨作用時中心波長的變化。文中采用填充特殊材料和特殊結構對FBG進行增敏封裝，通過這一材料較大的熱膨脹作用，進而提高光纖布拉格光柵的溫度靈敏度。此時，傳感器的溫度和波長之間的關系滿足公式(3)[11]。

其中, 為封袋基底的熱膨脹系數, 為傳感器的溫度。

2. 傳感器設計與分析

2.1 傳感器封裝結構

裸露的光纖光柵十分脆弱，而且靈敏度很低，必須輔助以一定的封裝結構才能投入生產和應用。常用的封裝形式主要有片封裝、管封裝和盒封裝三類，金屬管封裝方式因其具有結構小巧、導熱快、布設方便等優(yōu)點而備受青睞[12-15]?？紤]到海洋環(huán)境應用需要密封和小型化處理，本方案選擇金屬管封裝方式。首先，將光纖光柵在加持預應力的情況下固定于金屬管，并將光纖兩端與金屬管接觸位置處留置余量以緩沖壓力。然后，采用特殊方法將管內注滿高導熱填充物，具體結構和實物如圖2所示。

圖2 FBG封裝簡圖和實物照片

當外界溫度改變時，溫度變化能夠同時傳遞到光纖光柵和金屬管上。由前面分析可知，溫度變化會引起光纖光柵中心波長的偏移。由于金屬管熱膨脹系數大于石英光纖，在熱脹冷縮效應的影響下，金屬管在膨脹或收縮的過程中固定于其上的光纖光柵也會在外界應力的作用下拉伸或收縮，導致其中心波長發(fā)生偏移。在此結構下，光纖光柵和金屬管受溫度變化影響應力的傳遞作用導致的中心波長偏移方向是一致的，從而達到增敏的效果。而外層金屬管的另一個作用是隔絕外界應變和壓力的影響，使得外界壓力和應力作用不到光纖光柵上，從而達到單一溫度測量的目的。

在此方案中，經過特殊處理，金屬管、光纖和填充物渾然一體。因所選用的金屬管熱膨脹系數較大，若其受熱膨脹，FBG必然會受到一定的拉應力，這必將引起中心波長發(fā)生偏移，進而達到提高溫度靈敏度的目的。為了防止聚合物長時間使用而出現老化，在此采用一種特殊的高導熱材料進行填充，而且也起到了良好的增敏作用。

從另一方面考慮，這一金屬層即一種傳熱介質，則其不但能夠耐壓，而且也必須具有較快的傳熱速率。因此，這一金屬管封裝結構的存在給FBG在海洋環(huán)境中的應用帶來了兩個互相牽制的難題：強度和傳熱速率。較高的抗壓強度就需要使用管壁較厚的金屬材料，這在一定程度上降低了傳熱速率；但較快的傳熱速率勢必需要采用管壁較薄的金屬材料，這又將會在一定程度上影響封裝強度。在此，選擇特殊材料和特殊封裝結構，使FBG溫度傳感器不僅具有較高的封裝強度，還具有毫秒級別的時間常數。因此，在材料選取時開展了大量工作。

考慮FBG對于溫度和應力同時敏感，封裝時將金屬管兩端的光纖置于松弛狀態(tài)，這一特殊的設計使得其對于外界應力的變化具有一定的緩沖作用[7,16]，因此，光纖光柵受到外界應力的影響很小。在本研究中，我們不僅有效地防止了光纖光柵啁啾，而且消除了壓力的影響，提高了溫度靈敏度和響應速度。

2.2 傳感器溫度靈敏度計算分析

經過此種封裝設計后，FBG的熱光系數并未發(fā)生改變，但熱膨脹系數卻表現出比較明顯的不同。此種封裝結構的FBG的溫度靈敏度滿足公式(4), 其中各參數取值見表1, 其溫度靈敏度的計算值為27.21 pm/℃。

表1 溫度靈敏度有關參數

3. 試驗測試

3.1 溫度靈敏度測試

圖3 FBG溫度靈敏度測試裝置

使用恒溫水浴槽進行溫度靈敏度測試試驗，如圖3所示。該測試依據GB/T23246—2009進行，其中參考標準傳感器選用SBE56(Sea Bird Electronics,SBE)。波長—溫度曲線如圖4所示，經過一次線性擬合，其線性度為0.9999，溫度靈敏度為32.1 pm/℃，接近上述理論值。

圖4 FBG波長—溫度測試曲線

3.2 響應時間測試

測試試驗裝置如圖5所示。將FBG迅速從冷水放入熱水中，同時，高速解調儀實時監(jiān)測其溫度變化趨勢，重復多次試驗，完成測試軟件截屏，試驗數據分析如圖6所示。查詢相關技術文獻可知，此類傳感器的響應時間即為其經歷溫度快速變化之后達到穩(wěn)定溫度所需時間的63.2%[8]。篩選大量測試數據發(fā)現，采用這一結構的FBG的響應時間可達67.5 ms。

圖6 FBG響應時間測試曲線

4. 結論

文中介紹了光纖布拉格光柵傳感器的傳感原理和封裝技術，描述了關于靈敏度和響應時間的計算及測試。此種光纖光柵溫度傳感器的快速測溫特性優(yōu)于傳統電學傳感器和一般FBG傳感器，并且具有較高的溫度靈敏度。通過有效的封裝技術，解決了FBG溫度和壓力的交叉靈敏度問題，在此基礎上進一步提高傳感器的靈敏度，縮短響應時間，以保證能夠有效、準確、及時地獲取海洋環(huán)境監(jiān)測數據，這將為海洋剖面快速測溫傳感器的研制和發(fā)展提供一種新的思路。