自旋量程可調(diào)式金屬化FBG溫度傳感器設(shè)計*

朱星盈， 倪 屹， 郭 瑜， 劉化利， 李岱林

(1.江南大學 物聯(lián)網(wǎng)工程學院，江蘇 無錫 214000； 2.無錫必創(chuàng)傳感科技有限公司，江蘇 無錫 214000)

0 引 言

由于光纖光柵具備高精度、現(xiàn)場不供電、遠距離傳輸、全光測量、本質(zhì)安全、不受雷擊、不受電磁干擾、使用壽命長等優(yōu)點。光纖傳感技術(shù)從20世紀末至今的幾十年里發(fā)展極為迅速，除了應(yīng)用到常見的結(jié)構(gòu)監(jiān)測等領(lǐng)域[1]，同時也開始應(yīng)用在如應(yīng)變點定位、光纖超聲傳感、液體濃度測量、溫度測量等其他新的領(lǐng)域[2～4]。而光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)溫度傳感器在結(jié)構(gòu)上可以分為管式結(jié)構(gòu)[5]、基片式[6]、壓力式[7]等。實驗發(fā)現(xiàn)對于普通的光纖光柵當溫度超過250 ℃時涂覆層會出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，因此，在設(shè)計中采用金屬化封裝FBG焊接在新型封裝基片上，傳統(tǒng)的光纖光柵封裝工藝是將制作好的光纖光柵經(jīng)二次涂覆后，用膠黏劑將其封裝在被測物的表面或埋入被測物內(nèi)部[8]，但此封裝用的膠黏劑屬于有機物，在惡劣環(huán)境下容易老化分解，不利于光纖光柵傳感器在惡劣環(huán)境中長期使用；其次，當光纖光柵用于傳感測量時，膠黏劑和光纖涂覆層都會在測量中產(chǎn)生冗余，導致測量線性和重復性差；一般膠黏劑受環(huán)境影響較大，如溫度變化和水浸入使其粘結(jié)強度下降甚至脫落[9]。金屬化光纖是指在光纖光柵外表面鍍鎳金屬，鍍層厚度滿足焊接要求后，能直接將FBG焊接在傳感器基片或是被測物體上。同時也解決了溫度與應(yīng)力交叉影響的問題。

本文利用材料的優(yōu)勢與封裝的特點對FBG的溫度傳感器進行設(shè)計，實現(xiàn)了溫度量程可調(diào)的功能，實驗后對溫度與波長的函數(shù)關(guān)系進行擬合，線性度可以達到0.999 9以上，同比于陳淑華等人研制的線性度為0.998 8的雙套管式FBG溫度傳感器[10]實驗結(jié)果的精度與可靠性更高，已經(jīng)達到國內(nèi)領(lǐng)先的水平。

1 原理結(jié)構(gòu)與分析

1.1 傳感原理

FBG波長的漂移量Δλ與其軸向所受應(yīng)變Δε和溫度的變化ΔT的關(guān)系為

Δλ=λ(1-ρe)Δε,Δλ=λ(1+ξ)ΔT

(1)

式中λ為光纖中心波長；pe為光纖彈光系數(shù)；ξ為光纖熱光系數(shù)，且各數(shù)值的大小只與材料本身有關(guān)，與溫度無關(guān)。

由于FBG的熱敏感系數(shù)比其應(yīng)變敏感系數(shù)高一個數(shù)量級，且FGB受到表觀熱應(yīng)變的影響，在受到外界應(yīng)力變化時溫度偏離參考溫度所引入的波長的位移很難與施加在光柵上的純機械應(yīng)力相互區(qū)別。由于這種現(xiàn)象廣泛存在，所以會影響溫度傳感器的測量精度。假設(shè)參考溫度為T0若整體不受外部機械載荷的作用，由于FBG與宿主結(jié)構(gòu)之間的熱膨脹系數(shù)失配將產(chǎn)生附加應(yīng)變。該軸向應(yīng)力可表示為

Δσ=YF(αH-αΛ)ΔT

(2)

式中YF為光纖彈性模量，αH為宿主結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)，αΛ為光纖熱膨脹系數(shù)。可見不考慮宿主結(jié)構(gòu)溫度與應(yīng)力交叉的影響，F(xiàn)BG的溫度與波長可以看作正比關(guān)系。

如圖1所示為傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，金屬化FBG焊接在封裝基片上，其周圍采用溫度敏感外殼，通過真空隔熱內(nèi)旋裝置向下的旋緊后可以主要將溫度測量的量程分為200，400，600，800，1 000 ℃共5檔，既滿足對溫度測量大量程的要求又滿足其高精度的要求。外界溫度通過溫敏材料傳遞到金屬化FBG上，通過溫度傳遞面積的差異會產(chǎn)生不同的調(diào)制波長，通過光譜分析儀解調(diào)出相應(yīng)波長，再經(jīng)過標定的關(guān)系來計算所對應(yīng)的溫度。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意

1.2 基片結(jié)構(gòu)有限元分析

為了避免無關(guān)參數(shù)的影響封裝基片結(jié)構(gòu)的設(shè)計在考慮其測量性能的同時，還應(yīng)考慮加工、封裝等工藝過程，也需要考慮材料的機械加工等性能。設(shè)計結(jié)構(gòu)三維圖如圖2。

圖2 封裝基片結(jié)構(gòu)三維圖

裝置選取了TC4的鈦合金材料，這種材料的彈性模量與一些常見的金屬材料(如不銹鋼等)相比較小，測量時可以提高精度，其優(yōu)勢還在于結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用圓弧狀的緩存結(jié)構(gòu)，不但減小了材料自身重力的影響，還能控制溫度測量梯度的變化可以應(yīng)用在外界環(huán)境復雜的情況。

宿主結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)較小，對光纖本身應(yīng)變的影響可忽略不計，將其在ANSYS中進行溫度從0～100 ℃的仿真，應(yīng)變結(jié)果如圖3。

圖3 封裝基片應(yīng)變有限元分析結(jié)果

仿真結(jié)果表明：在較大溫度變化范圍內(nèi)，封裝基片最大的微應(yīng)變?yōu)?.073×10-6，遠小于光纖本身的應(yīng)變;采用所選材料與結(jié)構(gòu)進行封裝的傳感器在溫度測量過程中可以避免溫度與應(yīng)力交叉誤差的影響。

2 實驗與結(jié)果分析

實驗原理如圖4所示。

圖4 實驗原理

在實驗中采用了3組傳感器進行實驗，其中一組、二組實驗用于測試裝置的可靠性，一組、三組測試在不同檔位下的精度與線性度，為了驗證實驗的真實性，用初始波長為1 541 nm左右的金屬化光纖進行封裝，取溫度穩(wěn)定后波長的平均值。一、二組的溫度變化設(shè)置成0～100 ℃，10 ℃為一個階梯，而第三組的溫度變化設(shè)置為0～200 ℃，20 ℃為一個階梯，穩(wěn)定時間為10 min。將3組溫度穩(wěn)定后光纖分析儀中讀取的數(shù)據(jù)整理后，通過Origin對波長與溫度的關(guān)系進行線性擬合，擬合的結(jié)果如圖5所示。軟件計算可知，第一組傳感器的線性度為0.999 8，第二組線性度為0.999 9，第三組的線性度為0.999 9，經(jīng)過計算一、二組傳感器的精度約為20 pm/℃，同時對第二組傳感器的波長殘差指標進行分析，第二組傳感器的波長殘差如圖6所示。

圖5 3組溫度與波長擬合關(guān)系

圖6 第二組傳感器波長殘差分析

由擬合結(jié)果可以看出，金屬化焊接的FBG溫度傳感器的線性度很好，且在不同檔位處的滿量程精度幾乎相等。傳感器的殘差可以在0.01 nm以內(nèi)，經(jīng)過計算滿量程精度達到0.05 %，相比于許多同類傳感器提高了一個數(shù)量級。

3 結(jié) 論

本文對有限元仿真的結(jié)果可知新型的封裝基片在結(jié)構(gòu)上對減小無關(guān)變量影響的效果非常好，實驗結(jié)果表明，自旋量程可調(diào)式金屬化FBG溫度傳感器設(shè)計的精度約為20 pm/℃，線性度最高可達到0.999 9以上，同時兼?zhèn)?檔測溫的優(yōu)勢。在材料的選取利用新型材料TC4可以使得封裝基片的彈性更好；真空隔熱材料可以有效對傳感器內(nèi)的接觸溫度進行減敏；金屬化FBG可以耐高溫與抗老化；同時測量結(jié)果的線性度相比國內(nèi)外同類產(chǎn)品較高，滿量程精度也可達到0.05 %，可以廣泛應(yīng)用在大型結(jié)構(gòu)溫度場監(jiān)測、糧庫測溫、石油化工及管道、電纜接頭溫度監(jiān)測、油、水、氣等液體溫度測量等領(lǐng)域。