文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)10-0089-04
0 引言
1989年,，Morey首次報(bào)道將光纖Bragg光柵（fiber Bragg grating, FBG）用作傳感元件[1]，此后FBG作為一種新型的光纖無(wú)源器件,，在傳感領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注,。FBG具有耐高溫,、抗干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕,、體積小,、重量輕、靈活方便,、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[2-4],。但是裸光柵非常脆弱，實(shí)際工程應(yīng)用中需要根據(jù)具體的工作環(huán)境和測(cè)量要求對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)封裝,。常見(jiàn)的封裝形式有貼片封裝[5],、管式封裝[6]、盒式封裝[7]等,。金屬管式封裝形式具有結(jié)構(gòu)緊湊,、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱快,、體積小,、布設(shè)方便等優(yōu)勢(shì)，雖然該封裝方式早有報(bào)道,，但封裝工藝對(duì)應(yīng)變不敏感的FBG傳感器溫敏特性的影響還鮮見(jiàn)報(bào)道[8],。
溫度作為最常見(jiàn)的物理量，F(xiàn)BG用于溫度傳感領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和前景具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)[9-12],。本文分別討論了單端和雙端兩種金屬管式封裝方案,，制作了單端探頭式FBG溫度傳感器和雙端管式增敏型FBG溫度傳感器，并對(duì)兩種FBG傳感器的溫度特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,，兩者均表現(xiàn)出應(yīng)力應(yīng)變不敏感特性,。本研究有助于金屬型管式封裝FBG溫度傳感器的優(yōu)化及性能的進(jìn)一步提高，改善FBG傳感器的溫度傳感特性,。
1 FBG的封裝形式
本文設(shè)計(jì)了兩種不同方案對(duì)FBG進(jìn)行封裝,，兩種FBG溫度傳感器的封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)于探頭式保護(hù)型封裝,，選用外徑5 mm,、內(nèi)徑4 mm、長(zhǎng)50 mm的毛細(xì)鋼管作為保護(hù)套管,，其材質(zhì)為304不銹鋼,。為了將光柵固定在不銹鋼套管軸心位置，選用尺寸45 mm×3.5 mm×1 mm的銅片作為支撐件來(lái)固定光柵,。FBG,、支撐件銅片以及不銹鋼套管使用前均要清潔處理，采用無(wú)水乙醇擦拭,，超聲清洗后晾干備用,。封裝前將環(huán)氧樹(shù)脂AB雙組份膠按比例混合調(diào)勻,，靜置10 min至氣泡消失。將FBG的一端用環(huán)氧樹(shù)脂膠固定于銅片上,，另一端為自由端,，再將銅片放入不銹鋼套管中，保證銅片位于不銹鋼套管中心位置,，其余部分用導(dǎo)熱硅脂填充,，最后兩端再用環(huán)氧樹(shù)脂膠密封,，封裝而成的探頭式溫度傳感器如圖1(a)所示,。該封裝形式既合理地保護(hù)了光纖光柵，又保證了溫度的快速傳遞,。封裝后的光柵Bragg中心波長(zhǎng)為1 530.036 nm,，與自然狀態(tài)中心波長(zhǎng)一致。因FBG的一端始終為自由端,，保證光柵處于自然松弛狀態(tài),，避免了外界應(yīng)力對(duì)其產(chǎn)生影響。
FBG的保護(hù)型封裝雖然可對(duì)溫度進(jìn)行有效測(cè)量,，但由于FBG本身熱膨脹系數(shù)小,，導(dǎo)致此類FBG傳感器的溫度靈敏度不高。為了進(jìn)一步提高其溫度靈敏度系數(shù),，采用下述的管式增敏型封裝,。選擇外徑3 mm、長(zhǎng)45 mm的實(shí)心鈹青銅柱,，并在其表面刻蝕出長(zhǎng)45 mm,、寬1.5 mm、深1.5 mm的凹槽,，將FBG固定于凹槽中心位置,。為防止膠固化不均勻所導(dǎo)致的光柵啁啾現(xiàn)象，用環(huán)氧樹(shù)脂封裝FBG時(shí)須對(duì)FBG施加一定預(yù)緊力,。將埋有FBG的銅柱放入不銹鋼套管的內(nèi)部,，保持其處于不銹鋼套管中心位置，并用導(dǎo)熱硅脂充分填充于銅柱和不銹鋼管間的空隙,。最后在不銹鋼管兩端套入硅膠保護(hù)套,，并用環(huán)氧樹(shù)脂膠將其密封，所得管式增敏型溫度傳感器如圖1(b)所示,。所使用光柵的初始Bragg中心波長(zhǎng)為1 548.907 nm,，封裝后中心波長(zhǎng)變?yōu)? 548.890 nm，可見(jiàn)封裝時(shí)施加的預(yù)緊力很好地抵消掉了環(huán)氧樹(shù)脂膠固化過(guò)程中的內(nèi)部應(yīng)力,，將封裝前后Bragg中心波長(zhǎng)的變化盡可能做到最小,。將上述兩種封裝好的FBG傳感器放入電熱式鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行熱退火處理,，目的在于充分釋放環(huán)氧樹(shù)脂膠固化過(guò)程中所形成的內(nèi)部殘余應(yīng)力。
2 傳感原理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
2.1 傳感原理
根據(jù)光纖耦合模理論,，當(dāng)一束寬帶光入射到FBG上時(shí),，滿足Bragg條件的一部分光束會(huì)被反射回去。該光束的中心波長(zhǎng)稱為光纖Bragg中心波長(zhǎng),，記為λB,，其基本表達(dá)式為：
對(duì)于純石英光纖，α~0.55×10-6/℃,，ξ~6.67×10-6/℃,。Bragg中心波長(zhǎng)為1 530 nm的光柵的溫度靈敏度系數(shù)KT約為11.05 pm/℃。但是由于光纖制作工藝與光柵寫入工藝以及熱退火工藝的不同,，裸光柵對(duì)溫度敏感特性也有所差別,。
2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與標(biāo)定過(guò)程
兩個(gè)FBG溫度傳感器的溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中所用的信號(hào)采集與檢測(cè)設(shè)備為Bayspec公司的光纖光柵解調(diào)儀,，其波長(zhǎng)范圍為1 525~1 565 nm,，波長(zhǎng)分辨率為1 pm。將上述兩種FBG傳感器放置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9503A）中,，該控溫箱的溫度測(cè)量精度為0.1 ℃,。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)由端口1進(jìn)入環(huán)行器，經(jīng)過(guò)端口2入射到兩個(gè)FBG傳感器上,，經(jīng)其反射后的光束再次經(jīng)過(guò)端口2,，最終從端口3出射后進(jìn)入到解調(diào)模塊中。
溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用逐步升溫再逐步降溫的方法,，將兩個(gè)光纖光柵敏感元件放置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中,。恒溫鼓風(fēng)干燥箱的控溫范圍為40 ℃～80 ℃。升溫標(biāo)定實(shí)驗(yàn)以40 ℃為溫度變化初始點(diǎn),，每5 ℃為一個(gè)溫度變化單位,，待恒溫鼓風(fēng)干燥箱當(dāng)前溫度顯示值足夠穩(wěn)定后，記錄該溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的Bragg中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù),，直至升溫到80 ℃,。降溫標(biāo)定實(shí)驗(yàn)按照同樣步驟從80 ℃逐步降溫至40 ℃。如此反復(fù)進(jìn)行6次循環(huán)實(shí)驗(yàn),，所封裝FBG沒(méi)有出現(xiàn)封裝裂紋,、老化脫落等問(wèn)題。由于篇幅原因,，原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列表省略,。
2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析
探頭式保護(hù)型封裝的FBG溫度傳感器在40 ℃～80 ℃內(nèi)中心波長(zhǎng)隨溫度變化的曲線如圖3所示。圖3(a)為升溫曲線,，線性相關(guān)系數(shù)為0.999 91,，其波長(zhǎng)與溫度的線性擬合方程為：
探頭式保護(hù)型封裝FBG溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)平均值為9.86 pm/℃,。盡管其溫度靈敏度系數(shù)與裸光柵一致，但其出色的線性擬合度保證了在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性,。單端探頭式保護(hù)封裝工藝簡(jiǎn)單,，制作快捷，方便大批量生產(chǎn)且易于保證每支傳感器的一致性,。
管式增敏封裝的FBG溫度傳感器在40 ℃～80 ℃時(shí)中心波長(zhǎng)隨溫度變化的曲線如圖4所示,。圖4(a)為升溫曲線，線性相關(guān)系數(shù)為0.999 21,，其波長(zhǎng)與溫度的線性擬合方程為：
管式增敏封裝FBG溫度傳感器的溫度靈敏系數(shù)平均值為29.97 pm/℃,，達(dá)到裸光柵相應(yīng)值的3倍左右。對(duì)比圖3與圖4可以看出,，增敏封裝的線性擬合度有所下降,，但仍能滿足高于0.999的要求,。提高靈敏度系數(shù)的同時(shí)保證線性擬合度是至關(guān)重要的,，經(jīng)分析，改變封裝方式而降低的線性擬合度可能是以下幾個(gè)方面造成的：
(1)鈹青銅柱本身質(zhì)地不均勻,，內(nèi)部雜質(zhì)的不均勻分布造成其受熱膨脹體積變化不勻稱,；
(2)環(huán)氧樹(shù)脂膠填涂不均勻，固化后體積不勻稱造成溫度變化時(shí)光柵各部分受力不勻稱,；
(3)膠體本身仍有氣泡或者涂膠過(guò)程中引入氣泡,，氣泡本身會(huì)吸收一部分由熱脹冷縮產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，使其不能很好地作用在光纖光柵上,。
以上問(wèn)題的存在均會(huì)引起B(yǎng)ragg中心波長(zhǎng)的數(shù)值變化,，從而導(dǎo)致FBG傳感器線性擬合度下降。
探頭式保護(hù)型封裝FBG溫度傳感器在每個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)的Bragg中心波長(zhǎng)與該點(diǎn)波長(zhǎng)平均值相差最大為3 pm,，表明重復(fù)性良好,，如圖5所示。
管式增敏封裝FBG溫度傳感器在每個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)的Bragg中心波長(zhǎng)與該點(diǎn)波長(zhǎng)平均值相差最大為11 pm,，除此以外上述波長(zhǎng)差值均在8 pm之內(nèi),，如圖6所示。這說(shuō)明,，隨著FBG傳感器的溫度靈敏度的提升,，在同條件下感知溫度波動(dòng)的能力有相應(yīng)提高。
對(duì)于某種已封裝好的FBG溫度傳感器,，其測(cè)溫精度和分辨率取決于所用的解調(diào)設(shè)備,。本文中所采用Bayspec解調(diào)儀的分辨率為1 pm，精度為7 pm,。因此,，探頭式保護(hù)型封裝FBG傳感器的溫度分辨率和精度分別為0.101 42 ℃和0.709 94 ℃,；管式增敏封裝FBG傳感器的溫度分辨率和精度分別為0.033 37 ℃和0.233 57 ℃。
上述兩種FBG溫度傳感器在溫度保持不變情況下,，通過(guò)人為施加一定外部應(yīng)力,，其Bragg中心波長(zhǎng)并未觀測(cè)到漂移，這表明兩種管式封裝的FBG傳感器在一定范圍內(nèi)均對(duì)應(yīng)力應(yīng)變不敏感,。
3 結(jié)論
本文采用保護(hù)封裝和增敏封裝方式,，制作了兩款管式FBG溫度傳感器。在40 ℃～80 ℃溫度區(qū)間研究了它們的溫度特性,，其溫度靈敏系數(shù)分別為9.86 pm/℃和29.97 pm/℃,，保護(hù)封裝FBG傳感器的溫度分辨率為0.101 42℃，精度為0.709 94 ℃,；增敏封裝FBG傳感器的溫度分辨率為0.033 37 ℃,，精度為0.233 57 ℃。兩者的線性擬合度均達(dá)到0.999以上,。實(shí)驗(yàn)表明,，兩款FBG 傳感器重復(fù)性良好，且無(wú)遲滯現(xiàn)象,，完全可用于實(shí)際工程中,，擁有廣闊的應(yīng)用前景。
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