管式封装FBG大量程温度传感器及其特性研究*

张 翔，谭跃刚，陈宜炀，李天梁

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070)



管式封装FBG大量程温度传感器及其特性研究*

张 翔，谭跃刚，陈宜炀，李天梁

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070)

针对工程温度测量问题，提出了一种光纤光栅温度传感器的管式封装方法。利用耐高温AB胶将裸光栅粘贴于铜管内壁，实现增敏效果。首先简述了光纤光栅温度传感原理及其增敏模型，然后搭建了相应的温度实验平台，并且实验研究了铜管封装FBG温度传感器与裸光栅的温度感知特性。实验结果表明：在-40℃～120℃的区间范围内，铜管封装FBG温度传感器的灵敏度达到25 pm/℃左右，与理论值相符，且相较于裸光栅具有更高的灵敏度与线性度。该温度传感器具有良好的温度感知特性，可以应用于工程温度的检测。

光纤布拉格光栅 温度传感器 铜管

0 引言

光纤光栅作为一种新型无源滤波器，具有体积小、抗干扰能力强、分布式测量等一系列优点[1]，通过不同的封装方式突出光纤光栅对某一参量的敏感性从而将其应用于温度、压力、应变等不同参量的测量，因此自其问世以来，已广泛应用于化学工程，航天航空，建筑工程等领域[2-3]。

温度和应变的变化是能直接引起Bragg光栅反射波长漂移的物理量，在避免应变干扰的情况下，通过检测光纤光栅中心波长漂移量就可以获得环境温度的变化。因此通过将光纤光栅应用于温度变化的测量具有灵敏度高，稳定性好等特点。近年来很多高校专家学者对光纤光栅的温度传感特性进行了研究，同时设计了许多不同封装处理的光纤光栅温度传感器。例如大连理工大学的柳阳等通过对Bragg光栅进行高温热处理后可以实现对-30℃～1 000℃范围内的温度测量[4]；武汉理工大学的郭明金等通过细金属管以及镀金方式对光纤光栅进行封装，并在低温条件下进行了实验获取了其低温特性，并得知镀金封装的光纤光栅温度传感器在-70℃～0℃内对温度的测量准确度高，且重复性较好[5]。

以上方法工艺过程较为复杂，具有较高的使用成本。本文介绍了一种针对光纤Bragg光栅的简单封装方法，通过耐高温胶将裸光栅直接粘贴于铜基材，提高了传感器的灵敏度与线性度。该方法可通过改变基材的方式获得不同的传感器灵敏度。实验发现铜管封装FBG温度传感器在-40℃～120℃的区间范围内，灵敏度达到了25.7 pm/℃，同时其具有多次重复实验灵敏度不变的稳定性特点，能够应用于工程实践中。该方法对于降低光纤光栅温度传感器的使用成本，扩大其产业化应用具有较好的实际意义。

1 光纤光栅温度传感增敏模型

当一束宽带光进入光纤布拉格光栅时，它能对波长满足光纤反射条件的入射光产生反射，该反射光波的波长称为光纤布拉格光栅的中心波长λB，它与折射率和光栅周期的关系为：

λB=2neffΛ

(1)

式中，neff为纤芯有效折射率；Λ为光栅的调制周期。

由式(1)可知，光纤光栅的反射波长是随纤芯有效折射率和光栅周期而变化的。由光栅理论可知，环境温度变化引起的FBG中心波长漂移可表示为：

ΔλB=λB(α+ξ)ΔT

(2)

式中：ΔλB为布拉格波长的变化，α、ζ分别代表光纤的热膨胀系数、热光系数，ΔT表示温度的变化。由式(2)可知，光栅中心波长漂移ΔλB与外界环境的温度变化ΔT呈线性关系。因此，通过测量反射波长相对变化量ΔλB的大小，就可以确定外界温度T。

裸光栅的温度灵敏度较低，因此常将其粘贴于热膨胀系数较大的基材之上，实现增敏效果，且当αsub≫α时，则有如下温度与FBG波长变化的关系[6]：

ΔλB=λB[(1-Pe)αsub+ζ]ΔT

(3)

其中Pe为光纤弹光系数，αsub为基材热膨胀系数。简化后，得：

k=(1-Pe)αsub+ζ

(4)

即为传感器的灵敏度。对于普通的光纤材料Pe=0.22，ζ=6.67×10-6℃-1。T2的热膨胀系数为αsub=2.4×10-5℃-1。代入式(4)，可得k=25.39 pm/℃。

2 温度传感特性实验

2.1 铜管封装FBG温度传感器的结构

图1 铜管封装FBG低温温度传感器实物图与结构图

铜管封装FBG温度传感器的光纤光栅初始中心波长为1 285 nm，FBG长度8 mm。选用T2材质铜管，其中外径为2 mm，内径为1 mm，长度约为40 m。封装时将光纤光栅伸入铜管之中并与内壁贴合，如图1(a)所示。然后将调配好的耐高温AB胶灌入铜管之中，利用热风枪对铜管进行加热处理，待胶水由无色透明态转变为深棕色后，停止加热，此时胶水完全固化。此方法是通过结合光纤光栅对温度与应变同时感知以及铜基材的大热膨胀特性，实现光栅的温度增敏。铜管封装FBG温度传感器结构示意图和实物如图1所示。

2.2 实验系统

温度实验采用银河CT6025F高低温试验箱实现，温度控制范围-70℃～150℃，精度为0.1℃。选用理工光科高速光纤光栅解调仪对传感器进行数据采集，该设备的解调分辨率为0.1 pm，解调频率最高达4 kHz。

铜管封装FBG温度传感器温度特性实验装置如图2所示。实验时，为了验证铜基材的增敏效果，将一根中心波长为1 288 nm的裸光栅作为对比。将裸光栅与待测FBG温度传感器同时放入高低温试验箱中，以-40℃为起点，120℃为终点，做了两次升温实验。零下为-40℃、-25℃、-10℃三组温度；零上从0℃开始，每隔20℃记录一组数据。每当温度数显达到设定温度，保温15～20 min记录一次数据，即记录每个温度点对应的光纤光栅中心波长值。

(a)实验原理图 (b)实验实物图图2 “光纤光栅低温传感器”标定实验原理与实物图

2.3 传感特性实验分析

图3 铜管封装FBG温度传感器、裸光栅波长与温度变化关系

铜管封装FBG

温度传感器与裸光栅，在测试的-40℃～120℃温度范围内，中心波长随温度变化曲线如图3所示。由图3可发现：1)裸光栅的波长与温度变化是非线性的，在20℃附近出现一个明显的拐点，主要由于光纤光栅的热膨胀系数在不同温度区间不同而引起；2)粘贴于铜基材上的光栅波长与温度的变化呈现较好的线性关系，且灵敏度也明显高于裸光栅。由此可知通过铜基材封装后的FBG温度传感器，相较裸光纤光栅不仅具有明显的温度增敏作用，而且有效提高了检测系统的线性度，可实现大量程温度范围的检测。

图4 铜管封装FBG温度传感器中心波长与温度关系拟合直线

将图3中两组铜管封装FBG温度传感器的实验数据平均处理，得到中心波长与温度关系拟合直线，如图4所示。在-40℃～120℃范围内，拟合直线方程为λB=1 285.205 49+0.025 71×T，线性误差为0.99%。由此可得铜管封装FBG温度传感器的灵敏度为25.71 pm/℃，与理论值25.39 pm/℃符合。相较于1 300 nm波段裸光栅9～10 pm/℃的灵敏度[7]，提高了约1.5倍。

3 结论

光纤光栅本身脆弱，并且存在应变温度交叉干

扰等问题，无法直接应用于工程测试。而采用这种简单的管式封装方式，在增敏与提高系统稳定性的同时，亦能保护光纤光栅。通过实验研究了铜管封装FBG温度传感器的传感特性，实验结果表明：铜管封装FBG温度传感器在-40℃～120℃的工作区间内，灵敏度达到了25.7 pm/℃与理论值相符，与裸光栅9～10 pm/℃的灵敏度提到了1.5倍左右。由此可知，该温度传感器具有良好的温度感知特性，完全可以应用于工程测量。

[1] 张靖辉，谭文秀. 光纤温度传感器在温度测量系统中的应用[J].电子技术与软件工程，2015(23)：252.

[2] 黄俊. 光纤光栅压力传感器的研制与应用[D].武汉：武汉理工大学，2013.

[3] 周建华. 光纤光栅传感器应变传递特性研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[4] 柳阳. 一种低成本高温FBG传感器的研究[D].大连：大连理工大学，2009.

[5] 郭明金，姜德生，袁宏才.两种封装的光纤光栅温度传感器的低温特性[J].光学精密工程，2007，15(3)：326-330.

[6] 关柏鸥，刘志国，开桂云，等.光纤光栅温度传感器[J].传感技术学报，1999(2)：89-93.

[7] 周祖德，谭跃刚.机械系统的光纤光栅分布动态监测与损伤识别[M].北京：科学出版社，2013：22-24.

Design of the tube packaged FBG large-range temperature sensor and its characteristics

ZHANG Xiang, TAN Yuegang, CHEN Yiyang, LI Tianliang

Aiming at the problem of engineering temperature measurement, we put forward a tube packaging method for fiber Bragg grating temperature sensor, which used high temperature resistant AB glue to paste the bare grating inside the copper tube to enhance the sensitivity. In this study, we introduced the working principle and the sensitivity enhancing model of the FBG temperature sensor, then established the experiment platform, and compared the characteristics of the copper tube packaged FBG temperature sensor and the bare grating. The results showed that, within the temperature range of -40℃ to 120℃, the sensitivity of the copper tube packaged FBG temperature sensor reached up to 25pm/℃, which was consistent with the theoretical value, and superior to the bare grating. Such temperature sensor has good temperature sensing characteristics, and can be applied to the detection of engineering temperature.

fiber Bragg grating，temperature sensor，copper tube

TH811.1

A

1002-6886(2016)06-0009-03

国家国际科技合作专项项目(2015DFA70340)—重型数控机床光纤传感在线监测与热误差补偿合作研究。

张翔(1991-)，男，湖北武汉人，汉族，硕士研究生，主要从事光纤光栅传感技术的研究。 谭跃刚(1959-)，男，汉族，教授，博士生导师，主要从事机械装备动态监测技术与应用，机器人及其控制等方面的研究。

2016-04-28