光纖布喇格光柵的低溫傳感特性研究

李博文，劉穎剛，宋小亞，傅海威，賈振安，高 宏

(西安石油大學 陜西省油氣資源光纖探測工程研究中心,陜西省油氣井測控技術重點實驗室，陜西 西安710065)

0 引言

隨著光纖制造產業的快速發展，光纖布喇格光柵(FBG)獲得巨大發展，為FBG在光纖傳感領域的研究和應用提供了廣闊的空間[1-2]。與傳統傳感器相比，FBG具有體積小，質量小，抗電磁干擾及易集成等優點，在航空航天、醫用醫學、環境監測方面得到了廣泛應用[3-5]。迄今為止，科研工作者已研制出基于FBG的用于溫度、振動、流量、壓力等單點式傳感或分布式傳感的光纖傳感器[6-10]。

在眾多物理量的傳感測量應用中，基于FBG的溫度傳感器得到了研究者的特別關注，發展更迅速。因無涂覆的裸FBG在室溫以上的溫度靈敏度較低(通常在0.009～0.013 nm/℃)和較高的線性響應，研究者提出了如入膜片粘貼、溫敏材料物封裝等增敏方法，在保持線性響應特性的前提下提高FBG的溫度響應靈敏度，拓展FBG的使用范圍[11-12]。但是相關研究主要集中在室溫以上的溫度環境中，對室溫，特別是0以下的FBG的研究相對較少。

任何材料的特性都會受環境溫度影響。而FBG是通過改變光纖纖芯內部的折射率分布形成的特殊光學效應，在25～100 ℃時，纖芯材料的熱光系數和熱膨脹系數可被看成常量，導致反射波長隨溫度線性漂移。當環境溫度低于0時，材料的熱光系數和熱膨脹系數會發生變化，線性漂移的特性和靈敏度大小是否會被改變，這對研究FBG的封裝增敏技術非常重要，在實現高靈敏高線性度FBG的溫度傳感檢測中具有重要意義。

實驗是將2根未封裝的FBG放入低溫恒溫槽，改變低溫恒溫槽設備的運行參數，研究了FBG在-60～25 ℃時的低溫傳感特性。實驗結果表明，兩個FBG的溫度靈敏度分別為13.1 pm/℃和13.5 pm/℃，線性擬合度分別為0.999 4和0.999 0。在低溫環境及室溫以上，FBG具有相同的響應度和重復性，這將使FBG在食品冷藏、極端氣溫測量及化學試劑儲存等低溫傳感領域的應用成為可能。

1 FBG的溫度傳感原理分析

對于均勻的FBG，當輸入光波長滿足布喇格條件時，這一特定波長發生反射，其余波長發生透射。因此，對特定波長進行反射的特性，其作用相當于光纖纖芯內部形成一種窄帶濾波器。根據耦合模型理論[13-14]，FBG的中心波長為

λB=2neffΛ

(1)

式中：λB為FBG反射光的中心波長；neff為FBG纖芯的有效折射率；Λ為FBG的光柵周期。當外界被測量發生改變而引起neff和Λ變化時，都將導致λB發生改變。同樣，FBG的λB變化也可以反映被測參量的變化情況。

當外界溫度發生變化時，熱光效應的存在會導致FBG的有效折射率發生變化。同時，熱膨脹效應也會使FBG的光柵周期發生改變。此外，溫度也會引起光纖內部熱應力變化，這是彈光效應引起的，而彈光效應對FBG的溫度靈敏度影響微弱，通常在分析FBG溫度靈敏度時忽略其影響。因此，λB受到溫度影響時，其偏移量為

ΔλB=2(neffΔΛ+ΛΔneff)=λB(α+ξ)ΔT

(2)

式中：α=ΔΛ/(ΛΔT)為熱膨脹系數；ξ=Δneff/(neffΔT)為熱光系數；ΔT為溫度變化量。因此，FBG對溫度的靈敏系數為

KT=ΔλB/ΔT=λB(α+ξ)

(3)

由式(3)可知，KT主要與其λB、α和ξ有關，而α、ξ與制作FBG的光纖材料有關。室溫中，ξ=8.3×10-6/℃，α=0.55×10-6/℃，忽略其隨溫度變化的影響，認為λB隨溫度變化是一種線性的關系，對應的溫度靈敏度可達13.71 pm/℃[15]。

若要討論FBG漂移與溫度的變化，就需對光纖材料的ξ和α進行深入研究。常用石英光纖的主要材料是二氧化硅(SiO2)，外加極少量的其他材料。因此，對石英光纖原材料的α和ξ進行分析，即可探究出FBG的α、ξ與溫度的關系。

表1為幾種不同的石英材料的熱膨脹量與溫度(T)的關系[16]。目前，石英光纖采用的石英材料是Spectrosil 1000，主要對該材料的熱膨脹性進行了分析。

表1 不同的石英材料單位長度膨脹量與T的關系

表2為熔融SiO2折射率與T的關系[17]。熔融SiO2與石英光纖的溫度特性相近，因而可以用來探討石英光纖的熱光特性。由α和ξ的定義可知，熱膨脹系數為ΔL/(L×ΔT)，熱光系數為Δn/(n×ΔT)(Δn/n為折射率相對變化量)。取n=1.455 9,T=0，繪制了石英材料ΔL/L、Δn/n與T的關系圖，如圖1、2所示。

表2 熔融SiO2折射率與T的關系

圖1 石英材料ΔL/L與T的關系圖

圖2 石英材料Δn/n與T的關系圖

由圖1可知，在-60 ℃～室溫(25 ℃)時，ΔL/(L×ΔT)的斜率先增大再減小，即在此溫度范圍的熱膨脹系數先變大再減小。在-75～10 ℃時，熱膨脹系數最大約為5.3×10-9/℃，最小約為1.2×10-9/℃。由圖2可知，在-60 ℃～室溫時，Δn/(n×ΔT)的斜率隨溫度的升高有微小的升高，基本與溫度呈線性關系，即熱光系數約為5.56×10-6/℃。比較熱光系數和熱膨脹系數可知，ΔT引起Δn/n的變化遠高于ΔL/L的變化，兩者相差3個數量級。此外，在-60 ℃～室溫時，(α+ξ)的極差為4.1×10-9/℃。若以圖2所得的熱光系數為分母，則(α+ξ)的相對極差為0.073%。綜上所述，熱光系數隨T變化的線性效應遠強于熱膨脹系數隨T變化的非線性效應，所以無法改變(α+ξ)與T之間的線性關系。

在-60 ℃～室溫時，由于熱光效應占主導因素，熱膨脹效應對光纖的非線性變化只會略微影響波長漂移與溫度間的線性關系。因此，在-60 ℃～室溫時，FBG的中心波長漂移與溫度間的關系也是線性的。

2 實驗結果及分析

FBG低溫測試實驗裝置如圖3所示。實驗系統由SM125解調儀、筆記本電腦、超低溫計量測定恒溫槽(溫度為-80～100 ℃，分辨率為±0.01 ℃)及2根FBG組成。其中，主要測試設備是超低溫恒溫槽，在進行低溫實驗時，超低溫恒溫槽中所加液體為無水乙醇，可實現從-80～25 ℃的降溫或升溫過程。本實驗主要研究-60～25 ℃時FBG的溫度特性。

圖3 實驗裝置圖

本實驗所采用的FBG1、2均為康寧SMF-28光纖制造，其室溫下中心波長分別為1 547.790 nm和1 547.775 nm。實驗中，將FBG1、2放入超低溫恒溫槽中，對超低溫恒溫槽的運行參數進行設置，使溫度在實驗所需范圍內變化。我們以每5 ℃為步長，記錄下FBG1、2在不同溫度下的光譜。

當溫度變化時，FBG1、2的光譜變化如圖4所示。由圖可知，FBG1、2在降溫和升溫過程中均漂移穩定，降溫過程向短波方向漂移，升溫過程向長波方向漂移，且相同溫度間隔漂移量無明顯差異。

圖4 FBG1、2隨T變化的光譜變化圖

圖5為FBG1、2在升、降溫過程中中心波長位置的變化。由圖可見，在升、降溫過程中，2個FBG均展現出良好的穩定性，波長漂移與溫度間呈現出良好的線性關系，且2個FBG的重復性很好，升、降溫過程中,同一溫度中心波長位置的絕對差值小于0.035 nm。圖6為FBG1、2的線性擬合圖。由圖6可知，降溫過程中FBG1、2的溫度靈敏度分別為13.1 pm/℃和13.5 pm/℃，其擬合曲線線性度分別高達0.999 4和0.999 0。本實驗中FBG展現出良好的線性度，這也是對前文理論推斷可靠性的驗證。

圖5 FBG1、2升、降溫過程中中心波長的位置圖

圖6 FBG1、2的波長漂移線性擬合圖

3 結束語

從FBG的理論和實際應用出發，深入探究其在-60～25 ℃時的低溫傳感特性。通過深入研究此范圍內熱膨脹系數和熱光系數隨溫度的變化情況，得到此范圍內FBG中心波長漂移與溫度間呈線性關系，后經實驗驗證。此外，FBG在此范圍內響應良好，重復性極佳。因此，此研究將在食品冷藏、極端氣溫測量及化學試劑儲存等方面具有重要的意義。