預緊封裝光纖光柵溫度傳感器傳感特性研究

閆 光， 辛璟濤， 陳 昊， 駱 飛， 祝連慶

(1.北京信息科技大學光電信息與儀器北京市工程研究中心 北京，100192) (2.北京信息科技大學光電測試技術北京市重點實驗室 北京，100192) (3.北京信息科技大學生物醫學檢測技術及儀器北京實驗室 北京,100192)

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預緊封裝光纖光柵溫度傳感器傳感特性研究

閆 光1，2，3， 辛璟濤1，2，3， 陳 昊1，2，3， 駱 飛1，2，3， 祝連慶1，2，3

(1.北京信息科技大學光電信息與儀器北京市工程研究中心 北京，100192) (2.北京信息科技大學光電測試技術北京市重點實驗室 北京，100192) (3.北京信息科技大學生物醫學檢測技術及儀器北京實驗室 北京,100192)

為了獲得穩定測量溫度變化的光纖光柵溫度傳感器，筆者研究帶預緊力的光纖光柵溫度傳感器的封裝技術及其傳感特性。通過溫度傳感理論分析，在避免光纖光柵對溫度和應變的交叉敏感情況下，對光纖光柵溫度傳感器進行有限元Ansys應力分布進行模擬，可知本封裝具有一定的減敏作用，溫度測量量程增大，滿足更多實際工程中的使用。環氧樹脂DP420將帶有預緊力光纖光柵封裝在鈹青銅材料的圓柱體內，在恒溫鼓風干燥箱對光纖光柵溫度傳感器進行傳感特性研究，40～120 ℃的范圍內，每次升溫5 ℃。所得結果，此光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏度系數為23.81 pm/℃，是裸光纖光柵傳感器的2倍，且線性度達0.999以上。 該文對光纖光柵工程化具有較大的應用價值。

預緊力； 光纖光柵溫度傳感器； 有限元； 線性度

引 言

光纖光柵(fibber Bragg gratting, 簡稱FBG)是20世紀90年代國際上興起的一種在光纖通信、光纖傳感等光電子領域的基礎性光纖器件[1-2]。1989年，Morey[3]提出將光纖光柵用于傳感元件，使得光纖光柵在光纖傳感領域備受關注。光纖光柵溫度傳感器以其抗電磁干擾、體積小、質量輕等特點，被廣泛應用于航空航天、石油管道等領域[4-7]。光纖光柵傳感器具有許多獨特的優點，在工程中被廣泛應用。但裸光纖光柵細小質脆容易損傷，使用中必須對其進行有效保護，因此有必要對光纖光柵傳感器進行封裝，這樣既保護光柵，又可以實現其他功能[8]。國內相關領域的專家學者對光纖光柵溫度傳感器也進行了許多研究工作。徐元哲等[9]使用特殊的工藝將光纖光柵封裝在涂覆有聚酰亞胺膠的凹槽基底材料上，基底材料也采用聚酰亞胺材料，該方法提高了傳感器的靈敏度和可靠性。劉春桐等[10]針對表面粘貼式光纖光柵(FBG)傳感器存在的封裝體積過大、粘接不便的問題,提出一種光纖光柵的鋁合金箔片封裝工藝, 溫度靈敏度比裸封裝提高了3.02倍,達到29 pm/℃。郭明金等[12]設計了兩種光纖光柵溫度傳感器封裝，并對它們的低溫特性進行了實驗研究，溫度靈敏度系數分別為28.2和21.3 pm/℃。張燕君等[13]研制了一種分布式光纖光柵電纜溫度傳感器，在20～100 ℃范圍內線性度良好，達99.8%。馬曉川等[14]對高靈敏度穩定光纖光柵溫度傳感器進行了研究，測得其靈敏度系數達345.9 pm/℃。張蔭民[15]等對管式封裝的光纖光柵溫度傳感器進行了研究，增敏性封裝溫度靈敏度系數達29.97 pm/℃。Torres[16]用三維有限元數學模型分析傳感器封裝與試驗件粘貼后傳感器的精度。Bernasconi等[17-18]用有限元分析法分析了試驗件上被選點的應力分布情況。

光纖光柵作為光纖無源器件，對物理量的探測主要由光柵周期的變化和有效折射率的變化引起，帶有預緊力的封裝形式對物理量有效的測量具有重要意義。針對光纖光柵溫度傳感器的預緊封裝技術及傳感特性問題，筆者制作了帶有預緊力的光纖光柵溫度傳感器，采用Ansys建模和實驗分析對其傳感特性進行研究。研究內容有助于光纖光柵應變傳感器的優化和性能的進一步提升，以改善光纖光柵溫度傳感性能。

1 溫度傳感理論分析

外界溫度變化會引起光纖光柵中心波長的漂移，主要是由于溫度變化使得光纖發生熱膨脹效應、熱光效應以及光纖內部熱應力引起的彈光效應。根據以下公式[19]

(1)

由式(1)可見,光纖光柵的反射波長主要取決于光柵周期Λ和有效折射率neff，當外部溫度改變時，可得

(2)

將其展開變形可得

(3)

可將式(3)改寫為

(4)

根據各向同性胡可定律一般形式可知，光纖光柵各方向應變為

(5)

可知由溫度引起的應變狀態為

(6)

得到光纖光柵溫度靈敏度系數表達式為

(7)

其中：kwg=?neff/?α，為波導效應引起的布拉格波長漂移系數。

根據分析可知，光纖光柵的溫度靈敏系數是一個與光纖本身材料相關的定值，因此光纖光柵在作為溫度傳感器件使用時會有較好的線性度輸出。綜上所述，在不考慮外界環境的影響下，由普通石英光纖刻寫而成的光纖光柵溫度靈敏度系數取決于光纖材料的折射率，彈光效應和波導效應，將不會對溫度測試下的光纖光柵中心波長產生影響。

2 有限元分析與傳感器封裝

考慮到鈹青銅對溫度傳感性能要高于鋁合金的特點，故選用鈹青銅作為溫度傳感器封裝材料，光纖光柵溫度傳感器封裝形式如圖1所示。封裝銅管全長為50 mm，截面半徑R=2 mm在管中開1 mm寬和1 mm深的深槽，用于封裝光纖光柵。

圖1 光纖光柵溫度傳感器封裝設計圖Fig.1 Packaging design of optical fiber grating temperature sensor

由溫度傳感模型的分析可知，光纖光柵對溫度的敏感是根據被測件熱脹冷縮產生微形變，導致光纖光柵周期和有效折射率變化，最終導致光纖光柵中心波長發生漂移，所以在對光纖光柵溫度傳感器進行Ansys有限元模擬分析時，施加約束及邊界條件均為固定約束和拉伸應力。根據圖1所設計的光纖光柵應變傳感器封裝形式，利用Ansys軟件，選取solid實體單元模型，根據基片材質鈹青銅及實際尺寸進行建模。由于要避免光纖光柵對溫度和應變的交叉敏感，故不對光纖光柵溫度傳感器施加三向約束，只對左右兩側施加等量的拉伸應力。實際工程應用中，光纖光柵溫度傳感器置于測試點，并不對其本身與被測件之間加以固定，Ansys有限元模型基本符合實際工程，故方案基本可行。

光纖光柵溫度傳感器封裝結構Ansys模擬分析出的失穩波如圖2所示。從Ansys應變分布圖來看，光纖光柵溫度傳感器封裝結構，在拉伸應力下產生的變形是：應變呈階梯狀由底端向頂端逐漸遞減的。中央的填充膠層并未在較大程度上改變封裝結構的應力分布，封裝整體受力分布均勻。光纖光柵所處部位應為圓柱中心軸附近，由Ansys分析的應變圖可知，此處所感受應變為底層最大應變處的一半，以此保證了光纖光柵在封裝之后對溫度依舊有良好的傳感性能，并且從某種角度來說此封裝具有一定的減敏作用，使得封裝成型后的光纖光柵溫度傳感器的收到應力變化的影響減小，以提高實際工程使用中溫度測量的精度。

圖2 光纖光柵溫度傳感器Ansys模擬應力分布圖Fig.2 The stress distribution about simulating fiber Bragg grating temperature sensor through Ansys

2.1 溫度傳感器封裝

由于鈹青銅材料對于溫度敏感度要高于鋁合金7075-T6，所以選擇鈹青銅材料為光纖光柵溫度傳感器封裝材料。將鈹青銅材料加工成如圖1所示柱狀結構，選取裸光纖光柵，兩端用調整架固定并施加一定的預緊力，將柵區置于封裝結構深槽中央，待中心波長值穩定后，使用環氧樹脂DP420對光纖光柵進行封裝，并固化24 h。完成固化后，已封裝好的溫度傳感器中心波長λ=1 544.940 nm。光纖光柵溫度傳感器封裝完成后如圖3所示。

圖3 光纖光柵溫度傳感器Fig.3 FBG temperature sensor

2.2 光纖光柵溫度傳感器標定實驗系統及分析

固化完成的光纖光柵溫度傳感器需要進行溫度標定實驗。光纖光柵溫度傳感器標定實驗裝置如圖4所示。

圖4 光纖光柵溫度傳感器標定示意圖Fig.4 Optical fiber grating temperature sensor calibration

實驗采用型號為DHG-9503A的電熱恒溫鼓風干燥箱。其溫度測量精度為±0.1 ℃。光源使用自制ASE寬帶光源，帶寬范圍為1 525～1 600 nm，平坦度<2 dB，輸出功率為13 dBm。反射波長使用自制光纖光柵解調儀進行監測。波長范圍為1 525～1 568 nm,波長分辨率為1 pm。

寬帶光源發出的光經過1X2耦合器到達放置在電熱恒溫鼓風干燥箱內的待標定光纖光柵溫度傳感器，反射光再經過1X2耦合器，通過光纖端頭熔接的的FC/APC接頭與光纖光柵解調儀相連接，由光纖光柵解調儀進行信號處理，解調儀與上位計算機連接通過USB接口，解調儀計算出的中心波長通過USB協議傳輸至上位計算機軟件中并顯示出來。

溫度標定實驗采用溫度循環測量的方法。先將溫度提升至40 ℃，保持穩定一段時間，再將溫度逐步提升，每次以5 ℃為一個步進。溫度提升后，等待一段時間，使得由電熱恒溫鼓風干燥箱讀出的箱內當前溫度示值穩定后，記錄光纖光柵解調儀算出并顯示當前溫度點對應的光纖光柵反射中心波長數值，直至溫度提升到120 ℃。

隨后，按照相同步驟將溫度從120 ℃以5 ℃為一個步進降低回40 ℃，同樣地，將對應溫度點的光纖光柵反射中心波長記錄下來。完成了一次溫度循環。如此，共進行5次溫度循環。

根據溫度傳感器標定實驗中所得到的數據進行處理，各次溫度循環中光纖光柵傳感器的溫度/波長變化基本均在一直線上，即可明顯看出光纖光柵溫度傳感器中心波長與溫度變化呈明顯的線性關系，如圖5所示。

圖5 光纖光柵溫度傳感器中心波長與溫度關系曲線Fig.5 Center wavelength of FBG temperature sensor with temperature curve

根據實驗測得光纖光柵溫度傳感器中心波長與溫度變化關系數據，利用最小二乘法擬合可得

y=0.023 81x+1 544.590 45

(8)

式(8)為光纖光柵溫度傳感器與溫度關系擬合結果。擬合結果中，擬合系數為0.023 81，擬合線性度達0.999以上。沒有出現溫度突變現象，一般來說，光纖布拉格光柵封裝后, 由于光纖布拉格光柵的熱光系數沒有變化, 在超出光纖光柵傳感器適用范圍的溫度時，其封裝材料以及粘貼樹脂由于制作工藝缺陷、自身物理或化學性質等原因,會導致光纖布拉格光柵在此時的溫度傳感特性發生突變，從而使得讀出溫度發生突變。說明封裝的光纖光柵溫度傳感器在40～120 ℃范圍內能正常工作并準確反映溫度變化。

根據擬合結果，擬合系數為0.023 81可知，此光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏度系數為ktλ=23.81 pm/℃，是普通裸光纖光柵約10 pm/℃的溫度靈敏度系數的兩倍以上，說明此傳感器材料選取、結構設計和封裝工藝綜合作用下實現了傳感器的溫度增敏特性。

根據溫度分辨率與波長分辨率的關系

(9)

其中：Δλ為波長分辨率；Δt為溫度分辨率。

由于實驗中光纖光柵解調儀波長分辨率為1 pm，可算出該光纖光柵傳感器的溫度分辨率為0.042 ℃。而在實際使用中，實際的溫度分辨率還取決于實際測量時使用的光纖光柵解調儀波長分辨性能，以及應力串擾程度。但是由于傳感器封裝結構是對于應變減敏的，光纖位置受到的應變比加載到傳感器上的應變要小50%，因此應變影響會比一般的結構更小。綜上，若實際使用的光柵解調儀波長分辨率為5 pm，可以認為該種光纖光柵溫度傳感器的溫度分辨率可達到約0.2 ℃左右。

3 結束語

采用鈹青銅作為封裝基片，設計了一種封裝結構環氧樹脂DP420作為封裝黏合劑，使用預緊封裝工藝，研制了預緊封裝基片式光纖光柵溫度傳感器，并對其溫度傳感特性進行了有限元分析。根據分析結果，此種封裝具有一定的應變減敏作用，使得封裝成型后的光纖光柵溫度傳感器受到應變的影響減小，可提高實際工程使用中溫度測量的精度。根據溫度標定實驗，結果表明預緊封裝光纖光柵溫度傳感器線性度良好，具有較高靈敏度，靈敏度系數為23.81 pm/℃，是普通裸光纖光柵傳感器的2倍，且線性度達0.999以上。若實際使用的光柵解調儀波長分辨率為5 pm，可認為該傳感器能分辨約0.2 ℃的溫度變化。本研究對光纖光柵的工程化封裝技術具有指導性意義。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.05.023

教育部"長江學者和創新團隊"發展計劃資助項目(IRT1212)； 北京市科技計劃資助項目(Z151100003615010)；北京市教育委員會科技計劃資助項目(KM201611232005)

2015-06-23；

2015-08-23

TP212.1; TH823

閆光，男，1979年8月生博士、講師。主要研究方向為光纖傳感技術及結構健康監測等。曾發表《含口蓋復合材料圓柱殼軸壓屈曲性能分析》(《吉林大學學報》2015年第45卷第1期)等論文。

E-mail: YanGuang79@bistu.edu.cn