新型封装的光纤光栅温度传感器的研究

徐元哲，马淑婧，张 颖，刘雪冬，陈红振

(1.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林132012;2.吉林供电公司，吉林吉林132012)

光纤布拉格光栅(FBG)是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一，因具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗干扰性强、寿命长、可实现多点的分布式测量等优点，在各个领域具有广泛的应用前景［1，2］。光纤光栅可用于温度的测量，在现代工业生产中具有重要的应用价值，但是裸光纤对温度的灵敏性较差，中心波长为1 550 nm的光纤布拉格光栅，在室温条件下，其灵敏度是8.2 pm/℃ -12 pm/℃，温度灵敏度系数KT为6.72×10-6/℃［3］，因此为了增加其灵敏度，人们对此进行了各种设计，将光纤光栅粘贴于不同的基底材料和结构上构成了各种新型的温度传感器。

1 FBG封装技术

目前，FBG封装最常用的方法有两种:①FBG直接粘贴在基底材料上，典型的为贴片封装［4］，该方法是采用耐高温有机胶将FBG封装于铍青铜基底材料上，基底材料的线膨胀系数比FBG的大，以提高其温度灵敏度。②利用模具或管材灌封，典型的为毛细钢管封装［5］，该方法是将毛细钢管套在FBG上，中间灌封改性丙烯酸酯，然后放入烘箱进一步烘干、固化。此方法的优点是在不改变FBG应变灵敏度系数的同时，提高其温度灵敏度系数;缺点是由于毛细钢管的直径太小，不利于改性丙烯酸酯的封灌。而第一种封装方法的缺点是会造成FBG的线膨胀不均匀，因此这两种封装方法都不是很理想。为了弥补上述方法的不足，我们在封装结构、封装材料以及封装粘结剂方面加以改进，以期获得更为理想的封装效果［6，7］。

本文采用一种新型的封装技术。首先，把非金属的聚酰亚胺基底材料做成凹槽形状，其次，用抽完真空的聚酰亚胺粘合剂将光纤光栅封装在凹槽基底上，该方法保证了传感器在受到外界温度变化的影响时粘合剂和基底材料可以保持同种程度的膨胀，大大减少了FBG的线膨胀不均匀，确保了传感器可靠性和稳定性。最后，再用玻璃套管套在传感器外面，AB胶封住两端，这样做既保证了传感器的安全性，也减少了应力和温度的交叉敏感的问题。

2 FBG传感器的基本原理

由模耦合理论可知，光纤光栅的中心反射波长可以表示为

式中，Λ为光栅的周期，neff为光栅区的有效折射率。Λ和neff均受外界环境影响(温度、压力等)而发生变化，因而导致光纤光栅的反射波长的移动。温度变化引起的光纤光栅反射波长移动可表示为

从式(2)可以看出Δλs与ΔT之间呈线性关系，通过测量光纤光栅反射波长的移动Δλg，便可以确定环境温度T。

由于光纤光栅的温度系数很小，单独用它做敏感元件其灵敏度不高，为了提高温度灵敏度，可将光纤光栅粘贴于热膨胀系数较大的基底材料上。若基底材料的热膨胀系数为αsub，并满足αsub≫α，则粘贴后光纤光栅反射波长随温度的变化关系有下式给出:

式中pe为光纤的弹光系数，一般的石英光纤pe≈0.22。为了简单起见，令

则上式化简为

式中，KT为温度灵敏度系数，一般情况下裸光纤的KT=6.72×10-6/℃，则温度灵敏度系数是一个仅与基底材料热膨胀特性有关的常数［8］。本文采用的基底材料热膨胀系数为20-30×10-6/℃，KT理论计算得30.1×10-6/℃。

3 实 验

本文所选用的聚酰亚胺材料热膨胀系数较大，α=20-30×10-6/℃，热稳定性高。封装后，光纤光布拉格波长漂移了0.377 nm。实验表明，在封装过程中，对光纤光栅是施加适当的预应力，可使因封装产生的波长漂移减小。光纤光栅温度传感器结构如图1所示。用聚酰亚胺胶，将光纤光栅粘贴在凹槽式的聚酰亚胺板材的基底上，结构尺寸45 mm×3 mm×3 mm。然后外面再用玻璃套管套住，一方面是增加了传感器的可靠性，另一方面也减少了应变和温度交叉敏感的问题。最后玻璃套管两头用AB胶封住。为了增加粘贴强度，先将聚酰亚胺胶放在真空箱里面抽去空气，在用砂纸打磨基底板材的表面，粘贴前用化学试剂进行表面处理。为了进行对比分析，我们还用陶瓷基底对光纤光栅进行了封装。

图1 光纤光栅温度传感器的结构示意图

图2为光纤光栅温度传感试验原理图。采用ASE光源，光纤光栅敏感元件置于温控箱中，其布拉格波长漂移用日本YOKOGAWA公司生产的AQ6317C测量，波长分辨率为0.015 nm以上，波长精确度为±0.02 nm;3 dB耦合器一端将LED发出的光耦合进入光纤光栅，另一端将光纤光栅反射回来的光耦合进光谱仪用来检测。采用上海齐欣科学仪器公司生产的真空温控箱，工作电压220 V，真空度≤133 Pa，波动度为±0.1℃。通过改变温控箱的温度，来观察光纤光栅的布拉格波长的变化，从而得到波长变化和温度之间的关系。同时还测量了陶瓷基底的光纤光栅传感器温度响应曲线，并与新型光纤光栅传感器的温度响应进行比较。

实验中，控制恒温箱的温度，使箱内的温度由40℃逐渐上升，温度每上升10℃，利用光谱分析仪对光栅反射谱进行测量，温度变化范围从40～120℃。经过多次测试，封装元件没有出现开裂、封装裂纹、空洞离裂等缺陷。实验结果表明，该材料具有良好的温度稳定性及重复性，与光纤的相容性较好。

在40～120℃温度范围内，测得陶瓷封装的光纤光栅、聚酰亚胺封装光纤光栅温度的传感器的温度响应曲线如图3所示。由图3可知，在40～120℃的温度范围内，陶瓷封装光纤光栅的布拉格波长变化了0.88 nm，聚酰亚胺封装的光纤光栅布拉格波长变化了1.685 nm。由数据拟合得到聚酰亚胺封装的光纤光栅温度灵敏度为，陶瓷封装的传感器温度灵敏度，与理论分析结构基本相同。

图2 光纤光栅温度传感试验原理图

4 讨 论

聚酰亚胺的绝缘性非常好，耐高温，由它制成的薄膜、涂料、胶粘剂常被用于电力系统设备中。采用聚酰亚胺封装材料，将光线光栅封装于聚酰亚胺基底材料上，是一种新的尝试，不仅保证了传感器可靠的性能，而且传感器的灵敏度也比较高，其温度灵敏度达到29.89×10-6/℃，陶瓷封装传感器温度灵敏度为10.6×10-6/℃，新型传感器的灵敏度是陶瓷的近3倍。实验结果和理论值稍有不同，是因为在整个封装过程中不是在完全真空的条件下进行的，会带入少量的空气，另外温控箱温度值不能保证精确反应箱内温度，所以结果会稍有偏差。

为了提高传感器的温度灵敏度，可以适当扩大光纤光栅传感器的封装基底尺寸，然而光纤光栅温度传感器的响应时间取决于封装基底材料的热容量，基底结构尺寸越大，传感器的响应时间越长，为了得到较快的响应速度，应适当减小基底的尺寸［9］。因此在传感器的制作过程当中需要针对应用要求来决定封装结构尺寸的大小，本实验的传感器是用于检测发电机定子线槽的温度，所以尺寸大小选择为50 mm×5 mm×5 mm(包括外套尺寸)。

在制作传感器的过程中，一定要注意光纤光栅、基底材料、粘贴剂三者之间的紧密接触，否则可能出现以下情况:当温度较高时，光纤光栅脱离基底材料;光纤光栅只有部分固定在基底上，当温度变化时会导致布拉格波长漂移量减小;光纤光栅粘贴时与基底间有间隙，则温度灵敏度会减低，几乎接近于裸光纤光栅。

图3 FBG传感器温度响应曲线

5 结 论

光纤光栅本身温敏性很差，满足不了测量应用的要求，而且也比较脆弱，容易折断。为了改善其特性，我们采用一种新型的封装方式，粘合剂和基底材料采用同种材料，该材料属于非金属，没有电磁干扰的影响，非常适合用在电力系统中检测温度。另外，聚酰亚胺的耐高温、抗绝缘等性能也大大提高了传感器的灵敏度和可靠性。由实验结果我们看出，聚酰亚胺封装的光纤光栅温度传感器的温度灵敏度系数为29.89×10-6/℃，能较好的满足我们实际应用的要求。

［1］姜德生，何伟.光纤光栅传感器的应用概况［J］.光电子·激光，2002，13(4):420-430.

［2］唐炜，史仪凯.Bragg光纤传感技术应用研究［J］.光学精密工程，2002，10(1):79-83.

［3］Xu M G，Geiger H，Dakin J P.Fiber grating pressure sensor with enhanced sensitivity using a glass- tube housing［J］.Electron.Lett.，1995，32(2):128-129.

［4］于秀娟，余有龙，张敏，等.钛合金片封装光纤光栅传感器应变和温度传感特性研究［J］.光电子·激光，2006，17(5):564-567.

［5］张燕君，王海宝，陈泽贵，等.光纤光栅毛细钢管封装工艺及其传感特性研究［J］.光电子·激光，2009，39(1):53-55.

［6］谢剑锋，张华，张国平，等.封装材料性能对光纤布拉格光栅温度灵敏度影响分析［J］.光电子·激光，2008，19(9):1158-1162.

［7］周国鹏.光纤布拉格光栅(FBG)传感器封装技术的研究［J］.压电与声光，2010，32(4):534-538.

［8］赵勇.光纤光栅传感器及其传感器技术［M］.北京:国防工业出版社，2007:63-68.

［9］何伟，徐先东，姜德生.聚合物封装的高灵敏度光纤光栅温度传感器及低温特性［J］.光学学报，2004(10):1316-1319.