高溫再生光纖光柵溫度傳感器封裝技術*

薛淵澤, 王學鋒, 唐才杰, 藍 天

(1.北京航天控制儀器研究所,北京 100854；2.北京光纖傳感系統工程技術研究中心,北京 100094)

0 引 言

針對航空航天、石油化工、電力、冶煉等高溫領域的測量需求,國內外研究人員開展了耐高溫光纖光柵的研究。耐高溫光纖光柵的種類主要有IIA型光纖光柵、II型光纖光柵、特殊摻雜類型光纖光柵、飛秒激光刻寫光纖光柵以及再生光纖Bragg光柵(regenerated fiber Bragg grating,RFBG)等[1～11]。其中,再生光纖光柵是通過對I型光纖光柵進行特定退火處理得到的,具有制作簡單、成本低廉、光譜特性良好等優勢,滿足最高800～1000℃高溫環境的測量需求[12]。

再生光纖光柵雖然解決了普通I型光纖光柵高溫熱衰退的問題,但光纖經高溫退火后機械強度降低、易斷裂,需要對再生光纖光柵進行可靠封裝保護后才滿足實際應用條件。2011年,Adamovsky G等人[13]經過1 000 ℃退火制作了再生光纖光柵,采用兩層陶瓷管的方式進行封裝,經過150～800 ℃的溫度標定,給出該光纖光柵溫度傳感器的三階擬合曲線；2012年,Barrera D等人[14]利用陶瓷管和鎳合金管對再生光纖光柵進行了封裝,該傳感器最高測試溫度達1 000 ℃,誤差為±5 ℃；2014年,Silva E V D等人[15]使用鋼管對再生光纖光柵進行了封裝保護,用于水力發電機軸承的溫度梯度監測,但其測試溫度僅達到80 ℃。

本文針對光纖光柵高溫再生后易斷裂的問題,開展了高溫再生光纖光柵溫度傳感器封裝技術研究。提出了一種石英—陶瓷管封裝的高溫再生光纖光柵溫度傳感器結構,光纖和封裝材料的熱膨脹系數匹配性好,有利于減小光纖受到的應力影響。通過對石英—陶瓷管封裝后的光纖光柵進行1 000 ℃高溫退火,得到了高溫再生光纖光柵溫度傳感器,并對該高溫再生光纖光柵溫度傳感器進行了標定,對溫度測量精度和高溫穩定性進行了測試。

1 高溫再生光纖光柵傳感器設計

在設計高溫溫度傳感器的封裝結構時,需要考慮兩方面的內容：封裝結構對光纖光柵的影響,如是否對光纖光柵存在應力干擾；封裝材料自身的耐高溫性能以及與光纖的匹配性[16]。

為了使得光纖光柵溫度傳感器不受應力的影響,選取單端管式封裝的結構,封裝結構一端封口,光纖光柵位于封裝結構的頂端,在管內處于自由狀態,光纖另一端與封裝結構粘接,如圖1所示。

圖1 高溫再生光纖光柵傳感器封裝結構

常見的耐高溫封裝材料中單端封口、小直徑的鎢管和鎳合金管的定制成本高、周期長,本文最終選擇了高溫性能好的310 S不銹鋼管、剛玉陶瓷管和石英管進行光纖光柵溫度傳感器的封裝。

光纖在封裝結構內不可避免地與封裝結構存在接觸點,光纖與封裝結構的熱膨脹系數不匹配可能導致光纖受到封裝結構的摩擦力影響,降低溫度測量精度。從這方面考慮,石英材料與光纖的熱膨脹系數基本一致,是較理想的封裝材料；但石英管的機械強度較差,為了提高傳感器的機械強度,將石英管作為雙層管式封裝結構的內層、將陶瓷管作為外層。實驗開展了石英—陶瓷封裝再生光纖光柵溫度傳感器的實驗；同時,選用310 S不銹鋼管作為封裝材料進行了對比實驗。

2 再生光纖光柵溫度傳感器實驗研究

2.1 實驗方法

實驗采用248 nm的KrF準分子激光器結合相位掩模技術在載氫的普通通信單模光纖上寫入I型光纖布拉格光柵,然后通過高溫管式封裝方式進行封裝,并通過高溫退火制備耐高溫的再生光纖光柵溫度傳感器。

實驗采用Fluke公司生產的9150式熱電偶干式爐對封裝的光纖光柵溫度傳感器進行退火,退火溫度為1 000 ℃,升溫速率為35 ℃/min。在實驗過程中,采用Micron Optics公司生產的SM125光纖光柵解調儀實時監測并記錄光纖光柵的反射譜。

2.2 不銹鋼封裝的再生光纖光柵溫度傳感器

采用內外兩層310 s不銹鋼管對紫外刻寫的I型光纖光柵進行如圖1所示的封裝,其中,內層管的內徑和外徑分別為0.2 mm和0.4 mm；外層管的內徑和外徑分別為0.6 mm和1.2 mm,310 S不銹鋼管封裝的光纖光柵傳感器如圖2所示。

圖2 310 s不銹鋼管封裝光纖光柵傳感器

將310 s不銹鋼管封裝的光纖光柵溫度傳感器放入高溫爐中進行退火處理,光纖光柵反射光譜徹底消失后未出現再生。對310 s不銹鋼管封裝的光纖光柵溫度傳感器進行拆解和問題排查,在拆解過程中發現,經過高溫退火后部分光纖已附著在不銹鋼管內壁上。將光纖取出后進行測試,通入紅光,在光纖光柵刻寫位置之前的傳輸光纖段出現紅光泄漏,說明310 s不銹鋼管不適合用于1 000 ℃高溫光纖光柵溫度傳感器的封裝。

2.3 石英—陶瓷封裝的再生光纖光柵傳感器

采用內層為石英管、外層為剛玉陶瓷管對紫外刻寫的I型光纖光柵進行如圖1所示的封裝,其中,內層管的內徑和外徑分別為0.3 mm和3 mm；外層管的內徑和外徑分別為4 mm和6 mm,如圖3為石英—陶瓷封裝的光纖光柵傳感器。

圖3 石英—陶瓷封裝光纖光柵傳感器

將石英—陶瓷管封裝后的光纖光柵溫度傳感器進行高溫退火處理,退火過程中溫度變化及光柵反射率變化情況中使用的光纖光柵在室溫下的初始中心波長為1 535.099 nm,反射率為91.4 %,-3 dB帶寬為0.23 nm。在溫度達到600 ℃時,光柵反射峰強度開始出現明顯降低,1 000 ℃保持約5 min后,光柵反射強度降到最低,反射譜被淹沒在噪聲中,無法識別。并經過約30 s左右,光柵反射譜再次出現,即再生光纖光柵形成,并在8 min后再生光柵反射強度保持穩定。

圖4為室溫下光纖光柵退火再生前后的光譜圖對比。

圖4 室溫下光纖光柵退火前后反射光譜對比

光纖光柵完成高溫再生后,再生光纖光柵的反射峰相對于原始光纖光柵降低了13 dB,反射率約為5 %；-3 dB帶寬為0.12 nm。普通的光纖光柵解調儀的動態范圍通常可達30 dB,高精度的光纖光柵解調儀的動態范圍通常可達50 dB；采用普通的光纖光柵解調儀即可滿足再生光纖光柵的測量要求。

3 高溫再生光纖光柵溫度傳感器性能測試

對上述制作的石英—陶瓷封裝再生光纖光柵溫度傳感器進行溫度傳感性能測試,經過1 000 ℃高溫老化48 h后,再生光纖光柵傳感器性能趨于穩定。對該傳感器進行室溫至1 000 ℃的溫度標定,選取溫度測試點間隔為100 ℃。由實驗數據,在大溫度變化范圍下,光纖光柵中心波長隨溫度的變化出現一定的非線性,這是由于在大溫度變化范圍下時,光纖光柵熱光系數和熱膨脹系數不能再當作常數處理,而是與溫度有關的變量[17]。選擇三階擬合方式對標定數據進行處理,如圖5。

圖5 再生光纖光柵傳感器中心波長隨溫度變化的三次擬合曲線

根據標定曲線,選取熱電偶測試溫度150,350,550,750,950 ℃ 5個溫度測試點進行溫度傳感器精度測試。再生光纖光柵溫度傳感器測量溫度分別為151.1,348.3,549.4,751.2,947.4 ℃。兩者差值分別為-1.1,1.7,0.6,-1.2,2.6 ℃。經過測試,該溫度傳感器精度在±3 ℃以內。

為了驗證再生光纖光柵溫度傳感器在高溫測量時的穩定性,將退火后的再生光纖光柵溫度傳感器放置在Fluke 9150式熱電偶干式爐(標稱溫度穩定性±0.5 ℃)中保持1 000 ℃,采用SM125光纖光柵解調儀(標稱波長測量精度±1 pm)測量再生光纖光柵溫度傳感器的中心波長,根據標定曲線計算溫度。經過5 h連續測試,再生光纖光柵溫度傳感器輸出溫度的最大偏差為±0.6 ℃。

4 結 論

針對光纖光柵高溫再生后機械強度降低、易斷裂的問題,開展了高溫再生光纖光柵溫度傳感器封裝技術研究。提出了一種石英—陶瓷管封裝的高溫再生光纖光柵溫度傳感器結構,測試結果表明：該再生光纖光柵溫度傳感器反射光譜信號良好，測量精度優于±3 ℃,1 000 ℃條件下5 h的穩定性為±0.6 ℃,在航空航天、石油化工、電力、冶煉等高溫領域有重要的應用前景。