絕緣子保護的FBG溫度傳感器探討

錢利鋒

摘 要：電力系統的輸變電設備經常處于自然環境中，電氣設備雖然有絕緣層但是很容易被氧化，因此現實生活中經常出現電路故障等問題，有的甚至造成不可估量的經濟損失和人員傷亡。進入二十一世紀以來，科學家們針對這一問題積極研究了具有絕緣子保護的光纖BRAGG溫度傳感器，也可以稱為FBG，這種溫度傳感器主要功能是檢測電氣設備經常發熱的工作構件是否運行正常。本文主要研究了絕緣子保護的FBG溫度傳感器的結構和工作原理，做了一些關于絕緣子保護的FBG溫度傳感器的性能測試，希望能夠解決電力系統輸變電設備在實際工作過程中出現的問題，最大限度地降低經濟損失。

關鍵詞：絕緣子保護；FBG；溫度傳感器；性能測試

溫度是環境檢測不可或缺的參考因素之一，研究人員通過觀察溫度數據的分布與變化，可以提高海洋監測、國防建設以及其他科學事業研究等工作的工作效率。和以往傳統的電學傳感器相比，光纖傳感器具有突出的工作優勢，這主要表現在傳感特性等方面，比如反應靈敏度較高、經濟成本比較低以及光路可以根據工作實際需求調整彎曲度等等。基于光纖布拉格光柵技術的溫度傳感器，主要采用了波長編碼技術，在長期監測工作中扮演著至關重要的角色，能夠有效消除光源功率波動造成的不良影響。針對海洋復雜的自然環境，本文提出了一種新的溫度檢測方法，采用了光纖布拉格光柵溫度傳感器的封裝形式，這種全新的結構設計一方面能夠有效減少交叉敏感問題對溫度測量精度的負面影響，盡可能避免工作測量誤差，另一方面還能夠實現溫度增敏的主要工作目的。

1.絕緣子保護的FBG溫度傳感器的結構和工作原理

1.1絕緣子保護的FBG溫度傳感器的結構

光纖光柵充分利用了光纖的光敏性原理，在光纖內部形成了一種空間相位光柵，能夠準確反映沿纖芯折射率的周期變化規律。一旦有寬帶光源照射到了光纖布拉格光柵上，光柵就可以有選擇性地反射入射光，通常來講，反射光的中心波長也可以稱為布拉格波長。實踐證明，如果光纖光柵傳感器的溫度和應變兩個參數同時發生變化，那么這兩個參數都可以導致BRAGG溫度傳感器波長發生漂移。研究人員如果單方面地從單一的波長漂移量來進行數據分析工作，是無法分辨出實驗結果變化的主要影響因素究竟是溫度還是應變，如果研究人員想將光纖光柵溫度傳感器實際運用到現實生活中，就必須采取合理的封裝技術或者人為提出非溫度因素的影響。在把FBG粘貼在熱膨脹系數比較大的材料進行增敏封裝的時候，應該充分利用這種特殊材料的熱膨脹作用，使光纖周期發生明顯變化，進而提高光柵的溫度靈敏度。

1.2絕緣子保護的FBG溫度傳感器的結構

絕緣子保護的FBG溫度傳感器的結構主要包括以下兩個方面：選擇封裝外殼以及選擇合適的封裝方法。工作人員在測量海洋環境溫度變化的過程中，需要把研制的FBG溫度傳感器具體投放在海洋環境中，封裝海洋環境監測傳感器結構時，需要充分考慮封裝的結構強度、耐高壓以及防腐、回收利用等因素，常用的封裝材料包括金屬和聚合物。可以采用以下幾種封裝方法：其一，使用貼片封裝等方法將FBG直接粘貼在基底材料上，在封裝過程中可以采用一種耐高溫有機膠材料，眾所周知，基底材料的線膨脹系數比FBG大，因此它可以有效提高溫度靈敏度系數；其二，使用毛細鋼管封裝法，采用各種各樣的模具和管材進行灌封，首先把毛細鋼管套在FBG上，中間灌封材料有選擇性使用改性丙烯酸酯，然后工作人員再把它放在烘箱里面進行烘干和固化工作。但是在實際工作過程中，毛細鋼管的直徑實在是太小了，工作人員在灌封改性丙烯酸酯時十分容易出現操作失誤，而另外一種封裝方法--把FBG黏在基底上進行封裝也會造成FBG線膨脹不均勻。所以，這兩種封裝方式都不理想，或多或少地造成了經濟損失，不利于工作質量和工作效率的進一步提高。后來科學家們發現，如果利用金屬管進行封裝，可以充分發揮金屬管封裝結構緊湊、體積小以及導熱快的工作優勢，提高溫度靈敏度，從而實現保護FBG以及增敏的工作目的。而在所有的金屬材料中，紫銅是一種相對完美的選擇，擁有較高的純度、延展性、導熱性以及耐腐蝕性，再加上紫銅的導熱率比較高，所以在電力生產和熱力設備中取得了比較廣泛的應用。就封裝方法而言，可以采用特殊的環氧膠對光柵進行溫敏封裝，將環氧膠和光柵、紫銅緊密結合起來。填充物的熱膨脹系數比較大，一旦溫度發生變化，就可以引起布拉格波長的變化，產生傳感布拉格波長的漂移，進而實現溫度增敏。為了能夠徹底解決溫度傳感器對軸向應力敏感的問題，在實際封裝溫度傳感器的時候可以使用紫銅管保護光纖光柵，使用彈性系數比較小的彈簧恒定預應力封裝。堵頭可以固定光纖，避免光纖出現移動，減少應力對光纖光柵造成的不良影響，工作人員也可以人為地在兩個堵頭之間有效填充導熱環氧膠，最大限度地提高光纖光柵的溫度靈敏度，切實增強金屬管的封裝強度。可以在兩個堵頭中間填充一個彈簧，不斷拉動光纖左端部的尾纖，施加一定的預應力從而使彈簧產生一定形變，形成一種光柵一端受到彈簧恒定張力、另一端處于自由狀態的特殊結構，使光纖光柵能夠自動屏蔽軸向應力的不良影響。[1]

2.絕緣子保護的FBG溫度傳感器的性能測試

電力系統是否可以準確并且安全地檢測出關鍵設備的過熱點是安全供電的基礎條件。在具體實驗中，可以使用二級精度的水銀溫度計作為具體測量標準，如果恒溫槽的溫度接近設定溫度，溫控系統就可以自動根據感溫器測量的溫度控制混合區的加熱器工作，熱量可以被送到特殊的工作范圍區域，避免外界各種因素的干擾，從而保持溫度的絕對恒定。傳感器的輸出信號可以通過光譜分析儀并且解調出反射中心波長，工作人員可以利用望遠鏡準確讀取水銀溫度計的指示值。待測試的溫度傳感器可以根據工作環境的不同溫度，自動輸出相對應的波長，科學比較環境溫度和波長，整理數據繪制出一條專門的曲線以反應溫度和波長之間的對應關系，進而得到傳感器性能指標的測試結果。研究人員可以針對傳感器做二十次升溫實驗，在實驗過程中不能過分關注縮減實驗時間，一定要等到恒溫槽的介質穩定在設定的溫度值，然后再通過望遠鏡及時讀取溫度計的溫度。[2]

結語

本文對海洋環境的溫度測量提出了一種全新的FBG溫度傳感器的封裝方法，可以切實解決以往溫度測量工作中出現的部分問題，提高工作質量和工作效率，提高測量靈敏度。這種絕緣子保護的FBG溫度傳感器選擇的工業材料是硅橡膠憎水性材料，然后再和一體成型的結構完成傳感器的加工制作。光纖光柵由于受到了絕緣子層的重重保護，溫度傳感器可以在高壓環境下正常工作運行，有效避免電氣設備因為被氧化而出現造成輸電線路故障的問題。在對具有絕緣子保護的FBG溫度傳感器進行溫度性能測試時，研究人員進行了大量的實驗數據分析和數據整理，最終發現溫度傳感器的靈敏度系數為10.2，線性度為0.70。

參考文獻：

[1]張登攀，鄭艷，王晉，王永杰.FBG溫度傳感器交叉敏感問題的研究[J].大氣與環境光學學報，2016，11（3）.

[2]李英娜，徐樹振，田雷，李川，張旭，趙振剛.絕緣子保護的FBG溫度傳感器研究.傳感器與微系統，2013，32（7）.