石英套管封裝光纖光柵溫度傳感器

張欣穎，陳爽

(航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095)

0 引言

傳統的熱電偶式和輻射式溫度傳感器易受外界電磁場的干擾，測試距離、黑度系數、輻射系數對測量準確度會產生很大影響。光纖光柵傳感器由電絕緣、耐腐蝕的光纖作為傳輸介質，利用光波傳播信息，可避免電磁干擾，與傳統溫度傳感器相比，具有結構簡單、設計靈活等優點，已成為解決高溫環境下關鍵參數測量的主要技術手段[1-2]，被廣泛應用于民用工程結構、航空航天業、船舶航運業、石油工業、電力工業等領域。光纖光柵傳感器的封裝工藝可靠性直接影響光纖光柵傳感器在高溫下性能的穩定，目前，用于傳輸光纖與圓柱形中空管的封裝材料多數為聚合物材料[3]，這些材料的蠕變、老化特性以及其熱膨脹系數與光纖光柵的不匹配，都會引起熱應力，造成傳感器性能不穩定[4]。

本文選用石英套管作為封裝材料，利用高頻CO2激光脈沖使傳輸光纖與石英套管加熱熔合實現無膠可靠封裝，研究表明，封裝后的傳感器，在室溫至300 ℃的溫度范圍內，光纖光柵的布拉格波長隨環境溫度的變化呈良好的線性關系。

1 光纖光柵溫度測量原理

如圖1所示，當光在光纖中傳輸并通過光纖光柵時，滿足布拉格條件的光波被反射回來，即為光纖布拉格光柵的基本工作原理。光纖光柵中心反射波長為

λB=2neffΛ

(1)

式中：λB為光柵中心波長；neff為有效折射率；Λ為光柵周期。

圖1 光纖光柵傳感原理

光柵中心波長λB隨neff和Λ變化而變化，光纖光柵自身的溫度會隨著所處環境溫度變化而變化，當外界溫度改變時，光纖光柵中心波長表達式λB=2neffΛ的變分形式為

(2)

式中：(Δneff)ep為熱膨脹引起的彈光效應；?neff/?a為熱膨脹引起的光纖纖芯變化而產生的波導效應。

可得光纖光柵靈敏度系數的表達式為

(3)

式中：ξ為光纖光柵的熱光系數；Kwg為波導效應引起的光纖光柵波長漂移系數；α為光纖的熱膨脹系數。

對波導效應而言，由于它對溫度靈敏系數的影響微乎其微，所以在分析光纖光柵溫度靈敏度系數時，可忽略其產生的影響。則可得光纖光柵的相對溫度靈敏度系數為

KT=α+ξ

(4)

由式(4)可知，光纖光柵的溫度靈敏度系數基本上是與材料系數相關的常數，理論上保證了光纖光柵做為溫度傳感器可以得到很好的輸出線性，對熔融石英光纖而言，其熱光系數ξ=0.68×10-5℃-1，線性熱膨脹系數α=5.5×10-7℃-1。

2 傳感器封裝工藝

光纖光柵溫度傳感器封裝結構如圖2所示，傳感器由石英套管和光纖光柵構成，采用光纖光柵單端固定的封裝方式，可保證光纖光柵一端始終保持自然松弛狀態，從而避免外界應力對光柵產生的干擾。為了最大限度地發揮光纖光柵溫度傳感器體積小的優勢，選用外徑為300 μm、內徑為200 μm、長度為15 mm的石英套管作為傳感器的封裝套管。準分子激光器的紫外光采用相位掩模版技術，在摻鍺單模光纖上實現紫外寫入。通過CO2激光脈沖加熱實現光纖與石英套管的焊接。本文選用連續額定輸出功率為70 W，脈沖頻率為5 kHz的CO2激光器，該激光器控制程序輸出一定頻率的控制方波信號，實現對激光器的輸出激光和功率的調控，通過調整控制方波信號的占空比，改變輸出激光的功率。CO2激光器焊接系統如圖3所示。

圖2 光纖光柵玻璃管封裝示意圖

傳感器制作過程為：①將切斷尾纖的光纖光柵穿入切割平整的石英套管內；②套好石英套管光纖光柵用夾具固定，置于CO2激光焊接上，調節位置，將光纖光柵分別與光源和光譜儀連接，通過光譜信號的損耗判斷光纖光柵與石英套管的焊接質量；③設定CO2激光器的工作參數，啟動CO2激光器激光輸出，完成石英套管與光纖光柵焊接；④調節傳感器位置，設定CO2激光器的工作參數，啟動CO2激光器激光輸出，完成石英套管尾端密封，完成傳感器制作。

圖3 CO2激光器焊接系統

3 激光參數的選擇

熔融石英對10.6 μm波長的透射率和吸收率分別為40%和60%[5]，60%的光能量被熔融石英套管吸收，以保證熱熔區域升溫軟化，40%的光能量透過石英套管入射到光纖包層，使得熱熔區域升溫軟化，從而使石英套管與光纖包層牢固焊接。

選用的石英套管厚度較薄，若輸出較大激光能量，即占空比較大時，石英套管吸收能量過大，透射出去的激光能量作用于光纖時，可能會對纖芯造成損傷，影響光在纖芯中傳輸；輸出脈沖能量過小時，由于激光被石英套管表面反射部分能量，透過石英套管的激光能量不足以使得光纖包層的熱熔區達到可焊接的軟化度，光纖與石英套管不能形成牢固的焊接點，影響傳感器封裝效果。所以需要選取合適的占空比完成石英套管與光纖的可靠焊接。

本文通過調節激光器占空比大小，觀察石英套管與切好端面的石英光纖在不同占空比下的焊接結果，同時將傳輸光纖接入光源和光譜儀，通過傳輸光能量的損耗情況判斷不同激光能量對光纖纖芯的損傷情況，以此選擇合適的占空比。圖4為不同占空比下石英套管與光纖的焊接結果，圖5為不同占空比焊接的光纖信號強度。

圖4 不同占空比焊接結果

圖5 不同占空比焊接的光纖信號強度

由圖4與圖5可知，占空比為0時(即激光器不輸出能量)，石英套管與光纖結構沒有發生改變；當占空比為0.025時，石英套管表面沒有明顯變化，激光加熱區域不明顯；占空比為0.030時，石英套管表面發生細微凹陷，受熱區域有微小變化，但吸收的熱量不足以使受熱區域熔化；占空比為0.035時，石英套管與光纖在激光器作用處形成一條細小的焊縫，但稍微施加一個徑向的力時，石英管會從光纖上脫落；占空比為0.040時，石英套管與光纖焊接牢固，形成一條明顯焊縫，且光纖反射率與初始狀態保持一致，說明纖芯未受到損傷；占空比為0.042時，石英套管與光纖形成較寬焊縫，光纖端面反射能量下降明顯，激光能量過強，對光纖纖芯造成損傷，影響傳感器的使用。所以，當激光器的占空比為0.040時，可以實現石英套管與光纖牢固的焊接，同時保證光在纖芯中穩定傳輸。

4 傳感器溫度特性

測試石英套管封裝光纖光柵溫度傳感器在高溫下的溫度特性，將封裝好的傳感器放入可控恒溫槽中，如圖6所示，設置恒溫箱的溫度為50 ℃，每次溫度調節步進為50 ℃，直至升溫至300 ℃，待充分保溫(20 min以上)使恒溫箱中溫度保持恒定后，采集光譜信息及中心波長值，升溫過程重復三次。傳感器在進行溫度測量的同時，在恒溫箱中放置一只標準溫度傳感器進行數據對比。

圖6 實驗系統框圖

取3次相同溫度下的測量結果平均值，其測量數據結果如表1所示。

表1 測量數據

圖7為石英套管封裝的FBG溫度傳感器與標準溫度傳感器在室溫至300 ℃溫度范圍內的溫度波長響應曲線，石英套管封裝的FBG溫度傳感器的光纖光柵中心波長與溫度之間的關系為λFBG=0.0122T+1542.264,線性相關度為r2=0.998。

圖7 溫度-波長響應曲線

表2為石英套管封裝傳感器與標準溫度傳感器在不同溫度點下的溫度測量結果。與標準傳感器相比，石英套管封裝傳感器的最大偏差為1.94 ℃，出現偏差的原因是兩傳感器在恒溫箱中溫度場位置稍有偏差，導致所測的溫度出現不同程度的偏差。

表2 石英套管封裝傳感器與標準溫度計溫度測量結果 ℃

5 結論

本文提出了一種耐高溫光纖光柵溫度傳感器無膠封裝方法。這種封裝結構消除了外力對光纖光柵的影響，可對光纖光柵進行有效的保護。利用CO2激光器脈沖實現石英套管與光纖光柵之間的可靠焊接，實驗表明：采用額定功率為70 W，脈沖頻率為5 kHz的CO2激光器，占空比過小時，石英套管與光纖不能牢固焊接；占空比過大時，激光對纖芯造成損傷，影響光的傳輸；采用占空比為0.040的激光輸出能量時，可實現光纖與石英套管永久封裝，且保證光的穩定傳輸。封裝后的光纖光柵在室溫至300 ℃溫度范圍內波長與溫度依然保持非常好的線性關系。這種傳感器封裝方法避免了聚合物材料封裝的熱膨脹系數不匹配、材料老化等問題，工藝簡單。封裝后的傳感器線性度高、穩定好性，可對環境溫度進行測量。