超短FBG的高靈敏度溫度傳感器

吳 昊,張 洋,王 帥,劉瀚霖,辛璟燾

(1.北京信息科技大學(xué) 光電測試技術(shù)及儀器教育部重點實驗室,北京 100192；2.北京信息科技大學(xué) 光纖傳感與系統(tǒng)北京實驗室,北京 100016；3.中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司 綠色建筑材料國家重點實驗室,北京 100024;4.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

1 引 言

光纖布拉格光柵(FBG)傳感器具有體積小、抗電磁干擾能力強、重量輕、信號傳輸距離遠等諸多優(yōu)點[1-2],可用于應(yīng)變、溫度、位移、和加速度等物理量的測量[3-6]。光纖光柵傳感器在航空航天、道路橋梁、石油電力、安全監(jiān)測等[7-8]諸多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。

在國防、民用、軍事等領(lǐng)域,人造地球衛(wèi)星發(fā)揮著重要的作用。由于地球軌道空間環(huán)境的復(fù)雜性,衛(wèi)星表面的溫度影響著其運行和正常工作,對其表面溫度的測量和控制是一項重要的工作。對高性能衛(wèi)星表面溫度的測量來說,其測量精度需達到±0.1 ℃,分辨率達到0.01 ℃。

傳統(tǒng)的熱敏型測溫元件可以實現(xiàn)對衛(wèi)星溫度的實時監(jiān)測,但其抗電磁干擾能力差、耐輻射特性差,因此限制了其在衛(wèi)星上的長期穩(wěn)定使用。基于光纖光柵的新型高精度溫度傳感器是近些年來的研究熱點。光纖光柵因其具有抗電磁干擾能力強、體積小、耐輻照等特點[9],正在成為空間飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[10]的一個重要研究方向。提高傳感器的解調(diào)精度和傳感器的靈敏度是提高溫度測量精度和分辨率的有效技術(shù)手段。因此,研究微型高精度、高靈敏度系數(shù)的FBG溫度傳感器具有重要的研究價值。

目前,主要的光纖光柵溫度傳感器增敏方法主要有表面鍍覆法、粘合法和雙金屬增敏結(jié)構(gòu)。鍍覆法是在光纖表面鍍上一層熱膨脹系數(shù)較大的鍍覆層來提高傳感器的溫度靈敏度系數(shù)。華東理工大學(xué)的齊一華[11]等人研究了Ag-Ni雙金屬鍍層和Ti-Ag-Ni三層金屬鍍層對光纖布拉格光柵傳感器高溫傳感特性,實驗得到Ag-Ni雙金屬鍍層光纖布拉格光柵的溫度靈敏度系數(shù)為29.54 pm/℃,Ti-Ag-Ni三層金屬鍍層光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)為30.32 pm/℃。南京郵電大學(xué)的魏昊文[12]等人使用硅橡膠、環(huán)氧樹膠和PDMS膠分別對FBG進行有機涂覆,對三種涂覆光纖光柵在25 ℃～50 ℃的溫度下進行實驗研究,得到的溫度靈敏度系數(shù)分別為17 pm/℃,27 pm/℃和86 pm/℃。

粘合法是通過把光纖光柵粘貼或者封裝在熱膨脹系數(shù)大的材料中實現(xiàn)溫度增敏。西安石油大學(xué)的禹大寬[13]等人將FBG封裝在鈹青銅基底材料上,制作的溫度傳感器在20～200 ℃范圍內(nèi)溫度靈敏度系數(shù)為31.5 pm/℃。詹亞歌[14]等人設(shè)計了一種用鋁槽封裝光纖光柵的結(jié)構(gòu),其溫度靈敏度系數(shù)達到了39.8 pm/℃。姜明月[15]等人設(shè)計了一種以不銹鋼管為基底封裝材料的小尺寸光纖光柵溫度傳感器,對傳感器在-20 ℃～50 ℃區(qū)間的溫度進行測試結(jié)果表明金屬基底封裝的光纖光柵溫度傳感器的靈敏度達到28.6 pm/℃。

為了進一步提高溫度測量靈敏度,設(shè)計了雙金屬增敏結(jié)構(gòu),其由兩種熱膨脹系數(shù)不同的金屬構(gòu)成,熱膨脹效應(yīng)引起的基底的長度變化通過熱膨脹系數(shù)小的傳遞梁傳遞給FBG,實現(xiàn)溫度測量的增敏效果。李闊[16-17]等人設(shè)計了一種雙金屬光纖光柵溫度傳感器,得到傳感器的精度為±0.05 ℃,溫度靈敏度系數(shù)為520 pm/℃；為了實現(xiàn)高的增敏系數(shù),他們將基底的長度提高到360 mm。馬曉川[18]等人制作了一種雙金屬溫度傳感器,溫度的靈敏度系數(shù)達到了352.9 pm/℃,其傳感器的尺寸較大,為245 mm。

本文通過理論分析了應(yīng)變傳遞梁的長度變化、應(yīng)變傳遞梁的材料變化、基底的長度變化和基底的材料變化對增敏結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度傳感器溫度靈敏度系數(shù)的影響,在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種高靈敏度、小尺寸的光纖光柵溫度傳感器。首先通過準(zhǔn)分子激光器寫制了1 mm超短光纖光柵,并將其作為敏感元件,然后采用導(dǎo)熱快、熱膨脹系數(shù)大的鋁材料作為基底和熱膨脹系數(shù)小的殷鋼材料作為應(yīng)變傳遞梁組成雙金屬結(jié)構(gòu),完成了傳感器的小型化封裝；傳感器整體長度為30 mm,寬度為6 mm,高度為3 mm。實驗結(jié)果表明,傳感器靈敏度系數(shù)高達292.59 pm/℃、分辨率優(yōu)于0.004 ℃、具有高精度、高重復(fù)性、高分辨率的特點。

2 傳感器的設(shè)計

結(jié)構(gòu)增敏光纖光柵溫度傳感器增敏的原理是利用光纖光柵(FBG)對溫度和應(yīng)變同時靈敏的特性,把FBG和高熱膨脹系數(shù)的材料封裝到一起,當(dāng)溫度變化時,將高熱膨脹系數(shù)材料的熱形變轉(zhuǎn)換為FBG的彈性應(yīng)變,使得FBG波長變化量增加。本文使用雙金屬結(jié)構(gòu),對FBG進行溫度靈敏度增敏,增敏結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高靈敏度溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of high sensitivity temperature sensor

當(dāng)溫度發(fā)生變化時,基底與應(yīng)變傳遞梁的長度均發(fā)生變化。由于它們的熱膨脹系數(shù)不同,它們的長度變化量不同,它們的差值傳遞給了FBG。當(dāng)FBG的長度發(fā)生改變時,其布拉格波長會隨之發(fā)生變化。FBG的應(yīng)變量越大,布拉格波長漂移量也就越大。因此,可以通過調(diào)整基底和應(yīng)變傳遞梁的長度以及選用不同材料組合的來控制FBG的應(yīng)變量。

令α1為基底的熱膨脹系數(shù),α2為應(yīng)變傳遞梁的熱膨脹系數(shù),L1為基底材料金屬上的兩個固定點之間的長度,L2為傳感光纖的長度。當(dāng)溫度變化ΔT時,基底部分長度變化量為α1L1ΔT,應(yīng)變傳遞梁長度變化量為α2(L1-L2)ΔT,增敏結(jié)構(gòu)中,光纖長度的變化量為ΔL=α1L1ΔT-α2(L1-L2)ΔT。采用兩點式將FBG封裝于應(yīng)變傳遞梁上。當(dāng)溫度變化時,FBG的波長變化由兩部分組成,熱效應(yīng)導(dǎo)致的波長變化和由結(jié)構(gòu)熱膨脹導(dǎo)致的彈性應(yīng)變引起的波長變化,可表示為:

(1)

其中,Pe為光纖彈光系數(shù)；ξf為光纖熱光系數(shù),光纖熱膨脹引起的波長漂移綜合入光纖光柵的應(yīng)變。若由于結(jié)構(gòu)熱膨脹引起的應(yīng)變?nèi)總鬟f到光纖上,則溫度變化引起FBG的應(yīng)變可以表示為:

(2)

相應(yīng)的光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)為:

(3)

將式(1)、(2)代入式(3)中,可以得到,結(jié)構(gòu)增敏的溫度靈敏度系數(shù)可表示為:

(4)

由公式(4)可以看出,溫度靈敏系數(shù)的大小與基底長度、應(yīng)變傳遞梁長度、基底的熱膨脹系數(shù)和應(yīng)變傳遞梁的熱膨脹系數(shù)的有關(guān)。為了更加直觀的分析溫度增敏系數(shù)與基底長度、應(yīng)變傳遞梁長度和熱膨脹系數(shù)的相互關(guān)系。設(shè)定如下幾種材料進行數(shù)值計算和繪制關(guān)系曲線。20 ℃時,鋁的熱膨脹系數(shù)為23.9×10-6/℃,銅的熱膨脹系數(shù)為17.5×10-6/℃,鐵的熱膨脹系數(shù)為12.2×10-6/℃,殷鋼的熱膨脹系數(shù)為1×10-6/℃,石英的熱膨脹系數(shù)為0.55×10-6/℃,玻璃的熱膨脹系數(shù)為4×10-6/℃。

當(dāng)基底選用熱膨脹系數(shù)較大的材料,應(yīng)變傳遞梁選用熱膨脹系數(shù)較低的材料時,溫度靈敏度系數(shù)與L1/L2的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 溫度靈敏度系數(shù)與L1/L2的曲線關(guān)系Fig.2 Relationship between temperature sensitivity coefficient and L1/L2

當(dāng)基底選用熱膨脹系數(shù)較高的材料,應(yīng)變傳遞梁選用熱膨脹系數(shù)較低的材料時,溫度靈敏度與L1/L2的曲線關(guān)系如圖3(a)所示,圖3(a)中B部分擴大圖如圖3(b)所示。

圖3 溫度靈敏度系數(shù)與L1/L2的曲線關(guān)系及圖中B部分的放大圖Fig.3 Relationship between temperature sensitivity coefficientand L1/L2 and Enlarged view of Part B of the figure

根據(jù)式(4)及圖2和圖3進行,可以分析得到:

(1)如圖2和圖3所示,溫度靈敏度的大小與L1/L2為線性關(guān)系。

(2)如圖3所示,當(dāng)基底選用低熱膨脹系數(shù)材料、應(yīng)變傳遞梁選用高熱膨脹系數(shù)材料時,當(dāng)溫度升高時,雙金屬結(jié)構(gòu)對光纖光柵處于壓縮狀態(tài),光纖光柵本身處于膨脹拉伸狀態(tài)。當(dāng)L1/L2的值較小時,光纖光柵的膨脹處于主導(dǎo)地位,因此溫度靈敏度系數(shù)為正；當(dāng)L1/L2的值較大時,雙金屬結(jié)構(gòu)對光纖光柵處于壓縮處于主導(dǎo)地位,因此溫度靈敏度系數(shù)為負；當(dāng)兩者相等時,此時設(shè)計的溫度靈敏度系數(shù)為0；對于雙金屬結(jié)構(gòu)分別為殷鋼/鋁、殷鋼/鐵、殷鋼/銅、玻璃/鋁結(jié)構(gòu)時,當(dāng)L1/L2=1.42、1.63、1.58、1.85時,雙金屬結(jié)構(gòu)的溫度靈敏度系數(shù)為0；溫度靈敏度系數(shù)為零無法進行溫度的測量,但是這種結(jié)構(gòu)可用于溫度不敏感器件的封裝,如基于光纖光柵的波分復(fù)用元器件和光纖激光器反射鏡。

(3)如圖2所示,當(dāng)基底選用高熱膨脹系數(shù)材料、應(yīng)變傳遞梁選用低熱膨脹系數(shù)材料時,當(dāng)溫度升高時,雙金屬結(jié)構(gòu)對光纖光柵處于拉伸狀態(tài),在加上光纖光柵本身處于拉伸狀態(tài),可以加大溫度傳感器的靈敏度系數(shù)。本文將選擇高熱膨脹系數(shù)材料作為基底,低熱膨脹系數(shù)材料作為應(yīng)變傳遞梁進行實驗。

由圖2可以看出所用基底與應(yīng)變傳遞梁熱膨脹系數(shù)差值越大、L1/L2越大,溫度靈敏度系數(shù)越大,因此采用鋁和殷鋼組合。為平衡微型化、增敏系數(shù),選取L1/L2為15。

3 傳感器的制作

超短光纖光柵(Ultra-short Fiber Bragg grating,US-FBG)作為光纖光柵的一種,其制備方法與普通均勻光纖光柵類似,通過在相位掩模板之前放置可調(diào)光闌并且通過調(diào)整光闌大小實現(xiàn)光纖光柵的長度控制。

超短FBG的光柵柵區(qū)長度短,反射率會比較低。為了獲得高反射率的超短光纖光柵,本實驗將高摻鍺的OFS光纖進行低溫高壓載氫增敏處理后,采用準(zhǔn)分子激光和相位掩模板刻寫超短光纖光柵。本實驗中使用的超短光纖光柵光譜如圖4所示。可以看出,光纖光柵的峰值反射率約為40 %,3 dB帶寬約為1.3 nm,采用高斯函數(shù)切趾,實現(xiàn)了邊模抑制比約為25 dB。

圖4 超短光纖光柵光譜圖Fig.4 Ultra-short FBG spectrum

本實驗制作的微型高靈敏度FBG溫度傳感器的結(jié)構(gòu)及實物如圖5所示。雙金屬結(jié)構(gòu)的光纖光柵溫度傳感器是通過增大光纖光柵隨溫度的應(yīng)變變化量來提高其溫度靈敏度系數(shù)。實驗采用E-120 HP環(huán)氧樹脂粘合劑進行基底和應(yīng)變傳遞梁的固定,以及使用兩點式封裝將光纖光柵固定在應(yīng)變傳遞梁上。基底的長度為30 mm,傳感光纖的長度為2 mm,光柵位于傳感光纖的中心。理論計算的增敏結(jié)構(gòu)的溫度靈敏度系數(shù)為426.839 pm/℃。

圖5 微型高靈敏度FBG溫度傳感器結(jié)構(gòu)及實物圖Fig.5 Structure and structure of FBG temperaturesensor with high sensitivity and Physical picture

4 傳感器的標(biāo)定與測試

為了對比分析,在測試雙金屬結(jié)構(gòu)時,實驗中添加了3個光纖光柵傳感器的溫度測試。分別為兩個表貼在殷鋼、鋁材料上的光纖光柵溫度傳感器(其中心波長分別為1542 nm、1537 nm)和一根中心波長為1533 nm的裸光纖光柵。雙金屬增敏結(jié)構(gòu)溫度傳感器中光柵的中心波長為1555 nm。將該四種光纖光柵溫度傳感器放于FLUKE 7381深井臺式恒溫槽中。將傳感器與解調(diào)儀相連接,通過上位機將解調(diào)儀獲取的數(shù)據(jù)傳輸至電腦終端。實驗裝置如圖6所示。

圖6 溫度測試實驗裝置Fig.6 Experimental device for temperature measurement

實驗中,在20～40 ℃內(nèi),從20 ℃開始,每隔2 ℃設(shè)置一個間隔點,共計11個點。對四個溫度傳感器進行溫度靈敏度實驗,實驗采用恒溫水浴法,進行持續(xù)試驗,每個間隔點,設(shè)置時長20 min。每個溫度間隔點的波長值是對應(yīng)的波長數(shù)據(jù)短時間內(nèi)的平均值,以此作為每個溫度間隔點的穩(wěn)定值。

為了研究微型高靈敏度FBG溫度傳感器的溫度傳感長期穩(wěn)定性和可靠性,在20～40 ℃內(nèi)設(shè)置了20 ℃、30 ℃和40 ℃三個間隔點,對微型高靈敏度FBG溫度傳感器進行了溫度循環(huán)實驗,實驗采用了恒溫水浴法,進行持續(xù)試驗,每個溫度間隔點設(shè)置穩(wěn)定時長20 min,共完成6次重復(fù)度溫度測試。

5 實驗結(jié)果與分析

通過水浴池調(diào)節(jié)溫度在20～40 ℃進行標(biāo)定,通過數(shù)據(jù)分析,裸光纖光柵溫度-波長測試數(shù)據(jù)的線性擬合結(jié)果為:y=0.011145x+1533.3,獲得的裸光纖光柵的靈敏度系數(shù)為11.15 pm/℃,如圖7所示；貼于殷鋼材料上的光纖光柵溫度-波長測試數(shù)據(jù)線性擬合結(jié)果為:y=0.01665x+1537.13341,如圖8所示；貼于鋁材料上的光纖光柵溫度-波長測試數(shù)據(jù)線性擬合結(jié)果為:y=0.04193x+1542.6,圖9所示；金屬結(jié)構(gòu)增敏微型FBG溫度傳感器溫度-波長數(shù)據(jù)的線性擬合結(jié)果為:y=0.29259x+1546.40595,其溫度傳感器的靈敏度系數(shù)為292.59 pm/℃,其實驗數(shù)據(jù)的線性擬合如圖10所示。與傳感器理論靈敏度426.839 pm/℃,存在較大誤差。經(jīng)過分析其產(chǎn)生誤差的主要原因是傳感光纖的有效程度是大于2 mm的理論值。造成這一點的原因有兩點:(1)兩個點膠端點的距離大于傳遞梁豁口的長度；(2)環(huán)氧膠的楊氏模量較小,應(yīng)變傳遞效率小于100 %,因此傳感光纖的有效長度大于2 mm,接近3 mm。

圖7 裸FBG溫度傳感器溫度響應(yīng)特性Fig.7 Temperature response characteristicsof bare FBG temperature sensor

圖8 殷鋼結(jié)構(gòu)FBG溫度傳感器溫度響應(yīng)特性Fig.8 Temperature response characteristics ofFBG temperature sensor with invar structure

圖9 鋁結(jié)構(gòu)FBG溫度傳感器溫度響應(yīng)特性Fig.9 Temperature response characteristics ofFBG temperature sensor with aluminum structure

圖10 金屬結(jié)構(gòu)增敏微型高靈敏度FBG溫度傳感器溫度響應(yīng)特性Fig.10 Temperature response characteristics ofmetal structure sensitized FBG temperature sensor

由圖7至圖10可以看出:1.四個傳感器線性擬合均為線性關(guān)系；2.貼于鋁材料表面、殷鋼表面材料以及裸FBG三個傳感器的測量點在擬合曲線的兩側(cè)分布,設(shè)計的微型高靈敏度FBG溫度傳感器的測量點均在擬合曲線上。由于測試使用的解調(diào)儀的精度為10 pm,因此當(dāng)傳感器溫度靈敏度系數(shù)較低的時,其測量值在擬合曲線附近的漲落明顯。當(dāng)傳感器溫度靈敏度系數(shù)很高時,10 pm的漲落無法在擬合曲線附近觀察到。一方面說明微型高靈敏度FBG溫度傳感器的傳感精度高于其余三個溫度傳感器；另一方面說明高增敏可以克服解調(diào)儀的解調(diào)誤差。

對增敏微型溫度傳感器進行的長期穩(wěn)定性和可靠性分析,實驗獲取的實驗數(shù)據(jù)如圖11所示,循環(huán)試驗進行了8.7 h。

實驗中微型高靈敏度FBG溫度傳感器在每個溫度固定間隔定點的波長值是對應(yīng)的波長數(shù)據(jù)短時間內(nèi)的平均值,以此作為每個溫度間隔點的穩(wěn)定值。以溫度間隔點循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo),每次達到間隔點對應(yīng)的波長穩(wěn)定值為縱坐標(biāo),測試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖11(a)所示。以相同溫度下,求取每次循環(huán)溫度穩(wěn)定后,對應(yīng)溫度間隔點的各波長穩(wěn)定值的平均值。再求各個穩(wěn)定值與平均值對應(yīng)的波長差,以溫度循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo),每次達到穩(wěn)定點對應(yīng)的穩(wěn)定值與平均值的差值為縱坐標(biāo)作圖,如圖11(b)所示。由圖11(b)可以看出,微型高靈敏度FBG溫度傳感器的重復(fù)偏差不超過±8 pm,該偏差對溫度測量的結(jié)果影響不超過0.06 ℃,測量分辨率優(yōu)于0.004 ℃,滿足高精度測溫要求,穩(wěn)定性和重復(fù)性良好。

圖11 微型高靈敏度FBG溫度傳感器的長期穩(wěn)定性和可靠性實驗數(shù)據(jù)Fig.11 Experimental data of long-term stability andreliability of miniature high sensitivity FBG temperature sensor

由于受光纖光柵承受的應(yīng)變量的限制,測溫傳感器的量程為20～40 ℃。實驗的線性效果良好,為提高溫度傳感器的靈敏度提供了一種良好的方法。

6 結(jié) 論

本文經(jīng)過理論分析雙金屬增敏結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳遞梁和基底材料、長度的變化對溫度靈敏度系數(shù)的影響,獲取了增敏結(jié)構(gòu)所采用的材料及長度對溫度靈敏度關(guān)系,采用準(zhǔn)分子激光器寫制的1 mm超短光纖光柵作為傳感元件,制作了以熱膨脹系數(shù)高的鋁材料為基底、熱膨脹系數(shù)低的殷鋼為應(yīng)變傳遞梁的微型高靈敏度溫度傳感器。通過理論分析、數(shù)值計算,表明金屬增敏結(jié)構(gòu)能夠有效提高光纖光柵溫度靈敏度。并對其進行了實驗的標(biāo)定、重復(fù)度實驗驗證,實驗結(jié)果表明:微型增敏溫度傳感器的靈敏度系數(shù)為292.59 pm/℃,實現(xiàn)了在20～40 ℃的測溫。經(jīng)過循環(huán)試驗,可知微型增敏溫度傳感器測量結(jié)果影響不超過0.06 ℃,滿足高靈敏度、長期穩(wěn)定性測溫要求。微型高靈敏度溫度傳感器具有體積小、抗電磁干擾能力強、耐輻照、測量靈敏度系數(shù)高的特點,在高精度測溫傳感領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。