無膠化封裝的光纖Bragg光柵高溫應變傳感器及其特性研究

牛文謙，馬耀遠，吳 宇，袁子琳，龔 元，饒云江

(電子科技大學光纖傳感與通信教育部重點實驗室，成都611731)

光纖光柵傳感器以其無源、體積小、抗電磁干擾、耐腐性強、復用能力強等優點廣泛應用于工業控制、土木結構、消防安防以及能源化工等領域［1－3］。

光纖布拉格光柵(FBG)作為應變傳感器在實際工程應用中會同時受到溫度與應變的影響［4］，不同的封裝材料和封裝方式對光纖光柵的具體測量性能都有較大影響［5－6］。國內目前已有一些光纖光柵應變傳感器，如哈爾濱工業大學［7］、大連理工大學［8］、北京工業大學［9］、昆明理工大學［10］都制作了各種結構封裝的光纖布拉格光柵應變傳感器，這些傳感器都是針對常溫下的應變測量，然而在航空航天、石油開采等領域，通常需要在高溫條件下的接觸式應變測量，傳統的光纖光柵應變傳感器難以滿足高溫條件下長期存活和精確測量［11－13］的要求，尤其是傳統膠水封裝的光纖光柵應變傳感器在高溫條件下的穩定性問題一直無法解決。應變傳感器中，通常采用雙光柵串連進行溫度補償，使用一定的方法隔離光柵與基片［14－16］，本文采用雙光柵串聯方式提出一種全新的更有效簡單的結構，針對應用于高溫條件下FBG應變傳感器的應變和溫度串擾，以及高溫條件下的長期穩定性和測量重復性等問題開展了實驗研究。

本文以耐高溫聚酰亞胺涂層FBG為基本敏感元件，采用無膠化特殊封裝方式，通過基底結構設計實現了高溫環境下應變精確測量時的溫度變化補償。通過高溫環境下應變實驗驗證了基于該結構的FBG高溫應變傳感器的測量精度、線性度、重復性等主要性能指標，本文的研究對于光纖光柵傳感器在高溫應變測量領域的實際應用具有一定的參考價值。

1 結構及理論仿真分析

FBG傳感器的基本原理是當寬帶光入射到光柵上時，滿足Bragg反射波長的光會被光柵反射而反向傳輸，由于作用于FBG的溫度、應變等外界物理量可以改變光柵的周期長度，從而改變Bragg反射波長，因此通過檢測Bragg波長的漂移量即可得到外界物理量的變化大小。

Bragg波長與溫度、應變的變化關系可表示為［3］:

式中 ΔλB表示應變引起的 λB的漂移大小，pε為FBG的有效折射率，ε為軸向應變，α為光纖Bragg光柵的熱膨脹系數，ξ為光纖Bragg光柵的熱光系數，ΔT為溫度變化量。

本文所述FBG高溫應變傳感器的應變金屬基片為高彈性不銹鋼材料，結構如圖1所示，FBG1為應變測量光柵，FBG2為溫度補償校正光柵。無膠化特殊方式封裝時需要利用特殊的加熱工具嚴格控制加熱區域和時間，否則會損壞涂覆層甚至光柵;結構圖區域1的寬度大小的設計是為能夠了獲取足夠的加熱溫度以及控制加熱范圍;結構圖中區域3的半回型結構設計一方面是為了提高應變靈敏度［17］，同時降低由于光柵預應力產生的應力松弛效應，使傳感器具有長期穩定性和抗彎曲性;結構圖區域2的T型結構設計一方面極好的屏蔽了應力作用于補償光柵上，同時緊湊的整體結構尤其能在動態變化的應用場合下實現快速的溫度響應。利用ANSYS有限元分析軟件仿真，在應變基片兩端依次施加5 N、10 N、50 N、100 N的拉力，分別如圖2(a)～2(d)所示，結果顯示溫度補償光柵所在的基片區域幾乎沒有應變變化，具有極好的溫度校正效果。該結構的溫度補償原理如下:

圖1 應變傳感示意圖

圖2 ANSYS仿真傳感器基片各點應變示意圖

FBG1的波長漂移由拉伸應變增量Δλε和溫度產生波長漂移增量ΔλT共同產生Δλ=Δλε+ΔλT。對于FBG1初始波長為λFBG1，靈敏度μ1，溫度產生波長增ΔλT1=μ1ΔT，對于 FBG2 初始波長為 λFBG2，靈敏度 μ2，溫度產生波長增 ΔλT2=μ2ΔT，ΔλT1=(μ1/μ2)ΔλT2，也即Δλ=Δλε+(μ1/μ2)ΔλT2。記基準溫度T0，對于FBG2有波長增量 Δλ02=KTΔT0，其波長 λ02=λFBG2+Δλ02，對于FBG1 則有:Δλ01=KεΔε+KTΔT0，其波長 λ01=λFBG1+Δλ01。以T0為基準進行溫度補償，即溫度為Tx時，Tx由擬合方程得到，λx為記錄的波長，λ'x為補償后的波長，則有:λ'x=λx+(Tx－T0)(μ1/μ2)。

2 實驗分析

2.1 溫度系數標定實驗

實驗中使用上述結構無膠化封裝的FBG高溫應變傳感器(其中:FBG1為應變溫度同時作用的光柵，FBG2為溫度補償光柵)和一只UV膠封裝的FBG應變傳感器(FBG3)進行高溫溫度傳感性能對比，有膠和無膠化封裝的應變傳感器均采用相同的應變傳遞基片。將兩只傳感器同時放置在高低溫循環箱中進行溫度循環實驗，實驗結果如圖3(a)所示。由圖3(a)看出在80℃內應變傳感器Bragg光柵的中心波長與溫度呈線性關系，溫度在80℃以上時高溫應變傳感器中FBG1和FBG2的中心波長與溫度呈線性關系，而FBG3線性度已經發生了明顯的變化。其中應變測量光柵FBG1的溫度靈敏度為25.4 pm/℃，溫度補償光柵FBG2的溫度靈敏度為23.2 pm/℃，線性擬合度分別為R2=0.999 2和R2=0.999 6。

圖3 采用無膠化封裝和UV膠封裝的應變傳感器FBG在－20℃ ～250℃內的溫度特性曲線

由于實驗用高溫爐在150℃以上時，其升溫過程溫度變化是非線性的，因此，我們采用在降溫過程中進行隨機溫度記錄，實驗結果如圖3(b)所示。由圖3(b)可以看出FBG1和FBG2在250℃環境內中心波長與溫度呈線性關系，溫度靈敏度分別為28.8 pm/℃和 27.1 pm/℃，擬合度均為 R2=0.999 8。可以看到FBG1和FBG2在圖3(b)中的溫度靈敏度要略高于圖3(a)中的溫度靈敏度，這是因為高彈性不銹鋼在越高的溫度下熱膨脹系數越高，使得其溫度靈敏度增加。通過多次重復實驗，該高溫應變傳感器具有良好的重復性。根據上述實驗結果可以獲知:在250℃內該高溫應變傳感器光纖Bragg光柵中心波長的漂移量與溫度之間呈線性關系，可用于高溫應變測量時的溫度校正。

2.2 靜態應變測量實驗

實驗分為室溫環境實驗和高溫環境實驗。在靜態應變測試實驗中，用夾具將光纖Bragg光柵高溫應變傳感器一端固定豎直放置，傳感器另一端通過夾具連接一個砝碼托盤，增減砝碼來增減載荷，每次增加和減少的砝碼重量為2 N，高溫應變實驗環境通過并行鎢燈管照射獲取。

圖4為室溫環境下光纖Bragg光柵中心波長與載荷之間的關系曲線圖。其中FBG1+表示增加載荷，FBG－表示減少載荷。由圖4可以看出，光纖Bragg光柵高溫應變傳感器在室溫(26℃)條件下中心波長的漂移量與載荷之間呈線性關系，增減載荷曲線幾乎重合，FBG2未受載荷的影響。增加載荷和減少載荷靈敏度分別為379.7 pm/N和381.1 pm/N，線性擬合度分別為R2=0.999 2和R2=0.999 6。減少載荷過程的靈敏度比增加載荷過程略大，這是由于基片拉伸變形后恢復過程對靈敏度造成微小影響。

圖4 室溫環境下波長－載荷關系示意圖

高溫下的應變測量實驗，通過并行鎢燈管照射可使環境溫度由室溫(26℃)上升至250℃左右，由于空氣流動的影響會造成溫度浮動變化。圖5(a)是在高溫下光纖Bragg光柵中心波長的漂移量在增加載荷時的變化曲線，通過溫度補償校正，光纖Bragg光柵高溫應變傳感器增加載荷過程靈敏度為369.4 pm/N，擬合度R2=0.999 8，與常溫下的靈敏度相差2.8%。圖5(b)為在高溫下光纖Bragg光柵中心波長的漂移量在減少載荷時的變化曲線。通過溫度補償校正，光纖Bragg光柵高溫應變傳感器減少載荷過程靈敏度為372.6 pm/N，擬合度 R2=0.999 2，與常溫下的靈敏度相差2.3%。通過多次重復實驗其靈敏度與常溫下的相差均不超過3%。

圖5 高溫環境下傳感器中心波長隨載荷變化的特性曲線圖

結合溫度靈敏度標定實驗結果可以獲知高溫實驗環境在250℃左右，同時根據實驗結果可以看出FBG2實驗結果和ANSYS仿真結果一致，不受應變影響。該高溫應變傳感器的應變靈敏度和常溫下的靈敏度有一些差別，溫度升高和計數誤差導致了靈敏度上的差異。該高溫應變傳感器降低載荷過程線性度良好，高溫下高彈性不銹鋼應變底座的形變恢復會對靈敏度產生影響。通過多次重復實驗，高溫應變傳感器恢復到常溫狀態時中心波長偏移量與室溫對應的波長值誤差不超過±5 pm。實驗結果表明，基于該結構和該封裝方式下的光纖Bragg光柵高溫應變傳感器能夠在高溫下很好的響應物體的拉伸應變，進行溫度自校正。

2.3 動態應變響應實驗

通過動態應變響應實驗證明所述FBG高溫應變傳感器具有良好的動態響應性能。實驗中使用的應變傳遞底板尺寸為1 mm×30 mm×200 mm，在拉力試驗機上，應變底板所受載荷F與應變ε的關系可以表示為:ε=ΔL/L=(F/A)/E。其中，A為測試底板的橫截面積，E為材料的楊氏模量。

實驗中，我們采用C型夾具將應變傳感器固定在測試底板上，測試底板兩端固定在拉力機上。當拉力機對測試底板施加載荷時，測試底板產生的應變將傳遞到FBG高溫應變傳感器上，PC機自動記錄拉力機的載荷輸出曲線，解調儀(頻率為250 Hz)自動記錄FBG高溫應變傳感器的中心波長變化。實驗發現，在拉力機施加載荷變化時，由圖6(a)所示，溫度補償光柵FBG2不受應變傳遞的影響具有很好的溫度自校正能力;由圖6(b)所示，FBG高溫應變傳感器獲得較好的波長響應曲線，能夠實現應變的動態測量。

圖6 FBG高溫應變傳感器的應變響應曲線

3 結論

本文提出了一種具有良好溫度補償結構的光纖Bragg光柵高溫應變傳感器，采用低溫焊料無膠化封裝工藝，可用于高溫環境下高精度應變測量。由于安裝方式的不同會影響應變傳遞的效果，故該傳感器的實際應變靈敏度需要根據安裝方式來確定。而本文所述傳感器在常溫拉伸應變靈敏度約為379.7 pm/N，線性度 R2=0.999 2;高溫環境下溫度補償校正后的拉伸應變靈敏度約為369.4 pm/N，線性度R2=0.999 2。多次重復實驗結果顯示高溫與常溫下的靈敏度相相差均不超過3%。本文研究結果表明基于該結構和封裝工藝的FBG高溫應變傳感器可應用于250℃環境下大型機械等接觸式高精度應變測量，另外該結構簡單能夠實現批量生產，對高溫環境下的工程應用具有很好的實用價值。

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