0 引言

    1989年,，Morey首次報道將光纖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源器件,，在傳感領域受到廣泛的關注,。FBG具有耐高溫、抗干擾能力強,、耐腐蝕,、體積小、重量輕,、靈活方便,、壽命長等優(yōu)點^[2-4]。但是裸光柵非常脆弱,，實際工程應用中需要根據(jù)具體的工作環(huán)境和測量要求對其進行適當封裝,。常見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構緊湊、強度高,、導熱快,、體積小、布設方便等優(yōu)勢,，雖然該封裝方式早有報道,，但封裝工藝對應變不敏感的FBG傳感器溫敏特性的影響還鮮見報道^[8]。

    溫度作為最常見的物理量,，F(xiàn)BG用于溫度傳感領域的實際應用價值和前景具有非常明顯的優(yōu)勢^[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,，并對兩種FBG傳感器的溫度特性進行實驗研究,，兩者均表現(xiàn)出應力應變不敏感特性。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

    本文設計了兩種不同方案對FBG進行封裝,，兩種FBG溫度傳感器的封裝結構如圖1所示。對于探頭式保護型封裝,，選用外徑5 mm,、內徑4 mm、長50 mm的毛細鋼管作為保護套管,，其材質為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,，采用無水乙醇擦拭,，超聲清洗后晾干備用。封裝前將環(huán)氧樹脂AB雙組份膠按比例混合調勻,，靜置10 min至氣泡消失,。將FBG的一端用環(huán)氧樹脂膠固定于銅片上，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，其余部分用導熱硅脂填充,，最后兩端再用環(huán)氧樹脂膠密封,，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中心波長為1 530.036 nm，與自然狀態(tài)中心波長一致,。因FBG的一端始終為自由端,，保證光柵處于自然松弛狀態(tài)，避免了外界應力對其產生影響,。

    FBG的保護型封裝雖然可對溫度進行有效測量,，但由于FBG本身熱膨脹系數(shù)小，導致此類FBG傳感器的溫度靈敏度不高,。為了進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45 mm的實心鈹青銅柱,，并在其表面刻蝕出長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致的光柵啁啾現(xiàn)象，用環(huán)氧樹脂封裝FBG時須對FBG施加一定預緊力,。將埋有FBG的銅柱放入不銹鋼套管的內部,，保持其處于不銹鋼套管中心位置，并用導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套,，并用環(huán)氧樹脂膠將其密封，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中心波長為1 548.907 nm,，封裝后中心波長變?yōu)? 548.890 nm，可見封裝時施加的預緊力很好地抵消掉了環(huán)氧樹脂膠固化過程中的內部應力,，將封裝前后Bragg中心波長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干燥箱內進行熱退火處理，目的在于充分釋放環(huán)氧樹脂膠固化過程中所形成的內部殘余應力,。

2 傳感原理與實驗結果分析

2.1 傳感原理

    根據(jù)光纖耦合模理論,，當一束寬帶光入射到FBG上時，滿足Bragg條件的一部分光束會被反射回去,。該光束的中心波長稱為光纖Bragg中心波長,，記為λ_B，其基本表達式為：

    對于純石英光纖,，α~0.55×10^-6/℃,，ξ~6.67×10^-6/℃。Bragg中心波長為1 530 nm的光柵的溫度靈敏度系數(shù)K_T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,，裸光柵對溫度敏感特性也有所差別。

2.2 實驗儀器與標定過程

    兩個FBG溫度傳感器的溫度標定實驗裝置如圖2所示,。實驗中所用的信號采集與檢測設備為Bayspec公司的光纖光柵解調儀,，其波長范圍為1 525~1 565 nm，波長分辨率為1 pm,。將上述兩種FBG傳感器放置于電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG-9503A）中,，該控溫箱的溫度測量精度為0.1 ℃。寬帶光源發(fā)出的光經由端口1進入環(huán)行器,，經過端口2入射到兩個FBG傳感器上,，經其反射后的光束再次經過端口2，最終從端口3出射后進入到解調模塊中,。

    溫度標定實驗采用逐步升溫再逐步降溫的方法,，將兩個光纖光柵敏感元件放置于恒溫鼓風干燥箱中。恒溫鼓風干燥箱的控溫范圍為40 ℃～80 ℃。升溫標定實驗以40 ℃為溫度變化初始點,，每5 ℃為一個溫度變化單位,，待恒溫鼓風干燥箱當前溫度顯示值足夠穩(wěn)定后，記錄該溫度點所對應的Bragg中心波長數(shù)據(jù),，直至升溫到80 ℃,。降溫標定實驗按照同樣步驟從80 ℃逐步降溫至40 ℃。如此反復進行6次循環(huán)實驗,，所封裝FBG沒有出現(xiàn)封裝裂紋,、老化脫落等問題。由于篇幅原因,，原始實驗數(shù)據(jù)列表省略,。

2.3 實驗結果和分析

    探頭式保護型封裝的FBG溫度傳感器在40 ℃～80 ℃內中心波長隨溫度變化的曲線如圖3所示。圖3(a)為升溫曲線,，線性相關系數(shù)為0.999 91,，其波長與溫度的線性擬合方程為：

    探頭式保護型封裝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際應用中對溫度測量的準確性。單端探頭式保護封裝工藝簡單,，制作快捷,，方便大批量生產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 ℃時中心波長隨溫度變化的曲線如圖4所示,。圖4(a)為升溫曲線,，線性相關系數(shù)為0.999 21，其波長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/℃,，達到裸光柵相應值的3倍左右,。對比圖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)的同時保證線性擬合度是至關重要的，經分析,，改變封裝方式而降低的線性擬合度可能是以下幾個方面造成的：

    (1)鈹青銅柱本身質地不均勻,，內部雜質的不均勻分布造成其受熱膨脹體積變化不勻稱；

    (2)環(huán)氧樹脂膠填涂不均勻,，固化后體積不勻稱造成溫度變化時光柵各部分受力不勻稱,；

    (3)膠體本身仍有氣泡或者涂膠過程中引入氣泡，氣泡本身會吸收一部分由熱脹冷縮產生的內部應力,，使其不能很好地作用在光纖光柵上,。

    以上問題的存在均會引起B(yǎng)ragg中心波長的數(shù)值變化，從而導致FBG傳感器線性擬合度下降。

    探頭式保護型封裝FBG溫度傳感器在每個溫度測量點的Bragg中心波長與該點波長平均值相差最大為3 pm,，表明重復性良好,，如圖5所示。

    管式增敏封裝FBG溫度傳感器在每個溫度測量點的Bragg中心波長與該點波長平均值相差最大為11 pm,，除此以外上述波長差值均在8 pm之內,，如圖6所示。這說明,，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的能力有相應提高。

    對于某種已封裝好的FBG溫度傳感器,，其測溫精度和分辨率取決于所用的解調設備,。本文中所采用Bayspec解調儀的分辨率為1 pm，精度為7 pm,。因此,，探頭式保護型封裝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,，通過人為施加一定外部應力，其Bragg中心波長并未觀測到漂移,，這表明兩種管式封裝的FBG傳感器在一定范圍內均對應力應變不敏感,。

3 結論

    本文采用保護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到0.999以上,。實驗表明，兩款FBG 傳感器重復性良好,，且無遲滯現(xiàn)象,，完全可用于實際工程中，擁有廣闊的應用前景,。

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