氣體壓力式FBG溫度傳感器設計*

段效琛， 李英娜， 陳富云， 趙振剛， 李 川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

氣體壓力式FBG溫度傳感器設計*

段效琛， 李英娜， 陳富云， 趙振剛， 李 川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

針對基于電信號傳輸的溫度傳感器難以在石油、化工、變電站等高危環境中做檢測的問題，設計了氣體壓力式光纖Bragg光柵(FBG)溫度傳感器。采用氣體壓力式結構，在等強度懸臂梁上下表面的中心軸線上各粘貼一只具有相同敏感系數的FBG，分析了該溫度傳感器的工作原理，建立了其理論數學模型，并組裝了傳感器。通過對設計的氣體壓力式FBG溫度傳感器進行升降溫實驗測試，得到傳感器的靜態性能特性：傳感器的線性度為3.59 %FS，升溫過程中靈敏度為10.14 pm/℃，降溫過程中靈敏度為9.99 pm/℃。

光纖Bragg光柵; 溫度傳感器; 氣體壓力式; 等強度懸臂梁; 靜態特性

0 引 言

光纖Bragg光柵(FBG)溫度傳感器具有傳輸能耗低、抗電磁干擾能力強、化學特性穩定、電絕緣性良好、可在高溫條件下使用等優點，常被使用在強電磁干擾、高壓強、強腐蝕性、超高低溫等高危特殊的工作環境中[1～3]，相比傳統的溫度傳感器具有更廣泛的應用范圍。2004年,李川等人根據應變式傳感器的特點，給出了采用差動式結構分離FBG傳感器溫度和應變耦合響應信號的方法和技術[1]。2008年,王宏亮等人提出一種耐高溫FBG溫度傳感器，分析了該傳感器在高溫段的線性特征，進行了理論與實驗研究，得出該傳感器有很好的重復性與良好的線性特征[2]。2010年,李川等人研制了一種雙套管式FBG溫度傳感器, 以實現無外力作用的溫度測量[3]。

本文利用溫包結構和新型的敏感元件研制一種氣體壓力式FBG溫度傳感器，分析了傳感器工作原理，建立了傳感數學模型，并通過測溫實驗得到該傳感器的相關靜態性能指標，與理論值基本相同，適用于石油、化工、變電站等高危環境中。

1 主要結構與工作原理

氣體壓力式FBG溫度傳感器結構圖如圖1所示。

圖1 氣體壓力式FBG溫度傳感器結構示意圖

傳感器工作原理為：將溫包放入被測環境，當被測環境溫度發生變化時，溫包內氣體受熱膨脹，溫包內部壓強發生變化，此時壓強變化通過毛細管傳遞到隔層膜片上，使隔層膜片發生形變，并導致與其相連的傳壓桿發生上下運動；由于傳壓桿與等強度懸臂梁自由端是垂直剛性連接，所以，傳壓桿的運動使得等強度懸臂梁的撓度發現變化，從而導致粘貼在等強度懸臂梁上下表面中心軸線上的FBG波長發生移位；通過光纖分析儀測量出波長的移位量，根據傳感數學模型計算出被測物體的溫度值。

2 傳感模型

設計的氣體壓力式FBG溫度傳感器的傳感模型為：當溫包放置到需要測量的溫度環境中時，溫包內的氣體由于熱脹冷縮導致內部氣壓發生變化，經毛細管傳遞，作用在隔層膜片上壓力為F1，又經傳壓桿傳遞，作用到等強度懸臂梁的自由端，產生等值作用力F2，其關系如下

(1)

式中 V為儀表封閉系統體積；R為普適氣體常數；T為氣體工作溫度；n為溫包中氣體的物質的量。

軸向應變Δε與力F2，F1的關系為

(2)

式中E為等強度懸臂梁的彈性模量；b0為等強度懸臂梁固定端的寬度；h為等強度懸臂梁的厚度；l為等強度懸臂梁的長度。

將式(1)代入式(2)可得等強度懸臂梁軸向應變與溫度T的關系為

(3)

FBG隨等強度懸臂梁形變，若測量過程中溫度變化了ΔT，則應變和溫度引起的FBG的波長移位量ΔλB為

ΔλB=(SεΔε+STΔT)λB

(4)

式中 Sε為應變敏感系數；ST為溫度敏感系數；Δε為軸向應變變化量；ΔT為溫度變化量；λB為FBG中心波長。

由于環境溫度的影響可消除，所以，只有應變作用時FBG中心波長移位為

ΔλB1,2=ΔλB1-ΔλB2=2SεΔελB

(5)

式中ΔλB1,2為等強度懸臂梁上、下表面粘貼的2只FBG的波長移位差值；ΔλB1和ΔλB2分別為等強度懸臂梁上、下表面粘貼的2只FBG的波長移位。

將式(5)分別代入式(2)和式(3)可以得到等強度懸臂梁自由端作用力F2、被測溫度與FBG中心波長移位的關系為

(6)

(7)

式(7)表明了被測環境溫度T與FBG波長移位ΔλB1,2之間的數學模型，通過測量FBG波長移位即可以計算出被測環境溫度。

3 溫度測試實驗與數據分析

溫度測試系統主要由FBG傳感網絡分析儀、設計加工的氣體壓力式FBG溫度傳感器、恒溫槽和讀數望遠鏡組成。溫度測試實驗原理圖如圖2所示。

圖2 溫度測試實驗原理

本測試實驗中各個部件的具體參數有：

1)強度懸臂梁尺寸參數為：有效長度l=50 mm，厚度h=0.3 mm，固定端寬度b0=20 mm；等強度懸臂梁材料參數為：316 L不銹鋼的Young’s模量E=200 GPa，泊松比μ2=0.306；

2)溫包尺寸參數：直徑為14 mm，長度為150 mm的圓柱體；

3)FBG的技術參數為：中心波長λB1=1 551 nm，λB2=1 553 nm，應變敏感系數Sε=0.78，溫度敏感系數ST=6.0×10-6/℃，FBG的有效彈光系數pe為0.22；

4)根據前面理論推導的傳感數學模型可以得到，FBG的波長移位ΔλB與溫度變化量ΔT關系為

(8)

將測試實驗中所有部件參數代入式(8)，可以獲得傳感器的理論溫度靈敏度為10.2pm/℃，所以，該溫度傳感器的最小溫度分辨力為0.098 ℃。

升降溫過程共進行3組實驗，以第1次升降溫過程為例，光柵1和光柵2的實測值與擬合曲線的關系分別如圖3(a)和3(b)所示。

圖3 第1次測溫實驗2只光柵升降溫曲線

由圖3～圖5中溫度與中心波長的曲線圖可知，當進行升溫時，粘貼在等強度懸臂梁下表面的光柵中心反射波長增大，粘貼在等強度懸臂梁上表面的光柵中心反射波長減小；當進行降溫時，粘貼在等強度懸臂梁下表面的光柵中心反射波長減小，粘貼在等強度懸臂梁上表面的光柵中心反射波長增大。根據FBG的理論特性及FBG的粘貼位置可知，當光柵受拉時中心波長增大，當光柵受壓時中心波長減小。由此可知實驗結果與理論完全吻合。

對3組溫度測試實驗過程中得到的大量光柵中心波長值求算術平均值，再利用Matlab對3組實驗的算術平均值進行擬合。擬合后的中心波長與溫度關系曲線如圖4所示。

圖4 擬合后2只光柵中心波長與溫度關系

根據圖4可知20～80 ℃的溫度測試實驗光柵的波長總變化量為0.612 nm，實測值與理論值的最大波長偏差量為0.022 nm。把這兩個參數代入式(9)可得研制的傳感器的線性度為

(9)

傳感器的靈敏度定義為在穩態工作情況下系統的輸出變化量(Δλ)與輸入變化量(ΔT)之比,即

(10)

在溫度測試實驗過程中，升溫和降溫時FBG波長變化量與溫度關系如圖5所示。

圖5 升降溫過程中心波長移位量與溫度關系

由圖5可知：所設計的氣體壓力式溫度傳感器在升溫過程中溫度靈敏度為10.14 pm/℃；在降溫過程中溫度靈敏度為9.99 pm/℃。

4 結 論

本文研制的氣體壓力式FBG溫度傳感器利用差動式的方式在等強度懸臂梁上下表面中心軸線上各粘貼1只相同型號的FBG來消除環境溫度對測溫的影響。測溫實驗結果表明：氣體壓力式FBG溫度傳感器線性度為3.59 %FS，升溫過程中靈敏度為10.14 pm/℃，降溫過程中靈敏度為9.99 pm/℃。得出實測值與理論值基本相同，證明該傳感器的設計是可行的，可滿足對石油、化工、變電站等高危環境的溫度檢測。

[1] 李 川,孫 宇,吳 晟,等.分離應變和溫度的差動式光纖Bragg光柵傳感器[J].儀表技術與傳感器,2004(3):53-54.

[2] 王宏亮,張 晶,喬學光，等.一種耐高溫光纖Bragg光柵溫度傳感器[J].傳感技術學報,2008,21(6):964-966.

[3] 李 川,由 靜,李英娜，等.雙套管式光纖Bragg光柵溫度傳感器[J].光學技術,2010,36(2):1-4.

[4] 段劉蕊,李英娜,趙成均，等.電致伸縮式FBG磁場傳感器設計[J].傳感器與微系統,2016,35(1):114-116.

[5] 高曉蓉,李金龍,彭朝勇.傳感器技術[M].成都:西南交通大學出版社,2013.

[6] 周延輝,謝 濤,張長勝，等.旋轉式FBG粘度儀的研制[J].傳感器與微系統,2015,34(8):110-111.

[7] 于秀娟,余有龍,張 敏,等.鈦合金片封裝光纖光柵傳感器的應變和溫度傳感特性研究[J].光電子·激光,2006,17(5):564-567.

[8] 周延輝,謝 濤,張長勝，等.旋轉式FBG粘度計設計與有限元分析[J].傳感器與微系統,2015,34(7):63-65.

[9] Correia R,Li J,Staines S,et al.Fibre Bragg grating-based effective soil pressure sensor for geotechnical applications[C]∥Proc of SPIE,2009.

[10] 李 想,江朝暉,陸元洲,等.基于微傳感器陣列的蜂巢溫度監測與分析系統[J].傳感器與微系統,2015,34(11):63-65.

Study on gas pressure type FBG temperature sensor*

DUAN Xiao-chen, LI Ying-na, CHEN Fu-yun, ZHAO Zhen-gang, LI Chuan

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Aiming at problem that temperature sensor based on electrical signal transmission is difficult to perform detection in high-risk environment such as petroleum, chemical,substations and so on, design a gas pressure type fiber Bragg grating(FBG) temperature sensor.The sensor uses gas pressure type structure,pastes two FBG with same sensitivity coefficients on the central axis of upper and lower surfaces of equi-intensity cantilever beam,analyze principle of temperature sensor,build up its theoretical mathematical model,and assemble the sensor.Through temperature ramp test on gas pressure fiber Bragg grating sensor,get static characteristics of the sensor as follows:the linearity of the sensor is 3.59 % FS,the heating process sensitivity is 10.14 pm/℃,the cooling process sensitivity is 9.99 pm/℃.

fiber Bragg grating(FBG); temperature sensor; gas pressure type; equi-intensity cantilever beam; static characteristics

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0127—03

2016—05—18

國家自然科學基金資助項目(51567013)

TP 212

A

1000—9787(2017)05—0127—03

段效琛(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向為變壓器及光纖光柵傳感領域。

李 川(1971-)，男，通訊作者，教授，博士生導師，從事光纖Bragg光柵傳感器的應用研究,E-mail：boatriver@eyou.com。