基片式高灵敏度光纤光栅温度传感器

彭雄辉，黄安贻，左浩然

（武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070）

基片式高灵敏度光纤光栅温度传感器

彭雄辉，黄安贻，左浩然

（武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070）

光纤光栅是一种新型光学无源器件，现已普遍运用于传感测量方面，但由于裸光纤光栅的灵敏度比较低，需要对其进行增敏封装处理。该文提出一种基片式封装结构，运用铝和殷钢两种不同热膨胀系数的材料，进行过渡配合，当铝受热产生变形，在铝和殷钢之间形成挤压力，这种挤压力减弱横向延伸，增强纵向两端延伸，使得光纤光栅应变增大。通过水浴加热实验对比分析裸光纤光栅、封装的光纤光栅和改进封装后的光纤光栅的温度特性，实验结果表明改进的基片式封装结构温度传感器的线性相关系数为0.996，其灵敏度为33.21pm/℃，是裸光纤光栅的3.224倍，比单一铝材料封装灵敏度增大6.41pm/℃，可广泛运用于多种场合的温度测量，具有实际的应用价值。

温度传感器；光纤光栅；基片；灵敏度

0 引 言

光纤光栅是一种光学无源器件，由于其具有质量轻、体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀以及传感测量的准确度高等优良特性，现已广泛应用于传感测量领域[1-4]。光纤光栅作为一种传感测量元件，当外界环境温度发生变化时，使得光纤光栅产生一定的应变，这将引起光纤光栅的周期和光栅折射率的变化，从而使得进入光纤光栅中被反射和透射的光波发生一定的漂移，但在实际的应用中，往往由于温度变化的范围不大，从而温度引起的光纤光栅的应变非常微小，即裸光纤光栅的温度灵敏度很低，所以在实际的工程应用中，一般将裸光纤光栅进行温度增敏封装，以提高其温度灵敏度。

现有的光纤光栅的封装形式有很多，根据封装结构和材料的不同，主要有聚合物封装[5]、金属管封装[6-7]、基片式封装[8-10]等比较常见的形式。本文研究基片式的封装形式，通过对封装的结构进行改良设计，使其在温度方面的灵敏度得到较大提高。

目前有关基片式光纤光栅温度传感器的研究也有许多，如禹大宽等[11]提出来一种基于铍青铜片封装的光纤光栅温度传感器的模型，其灵敏度为0.0315mm/℃，并具有良好的重复性和线性度；于秀娟等[12]提出了一种铜片封装的工艺，与裸光纤光栅的测试结果相比，该种封装的传感器温度灵敏度提高了2.78倍；詹亚歌等[13]研究了一种光纤光栅的金属槽封装技术，其特征也是一种基片式封装结构，该种金属槽的封装技术使得其温度灵敏度比普通裸光栅提高了3.6倍。

综上可知，目前封装的材料都是单一地采用了一种热膨胀系数比较大的材料作为基底材料，利用这种材料在受热时膨胀变形大的机理，从而带动光纤光栅产生大的应变，进而提高光纤光栅温度测量的灵敏度，在本文中也是运用了这种相似的原理，但不同的是选用了两种不同热膨胀系数的金属材料。将两种材料设计成特殊结构组成的装配体，并把该装配体封装在聚合酯材料的壳体中，壳体中的其他间隙用导热脂填充，通过理论分析和实验验证的结果可证明该种封装结构的有效性，且其光纤光栅温度传感器的灵敏度得到很大提高。

1 光纤光栅温度增敏原理

光纤光栅传感器的传感信号为波长调制，通过检测装置测量反射波长的改变来感知周围环境的变化，而且光纤光栅中心反射波长的变化是由光栅周期或者光栅区的折射率改变引起的[14-17]，其关系式可以表示为

式中：λg——反射波长；

neff——光栅区折射率；

Λ——光栅周期。

当外界环境发生变化时，将引起neff和Λ的变化，从而引起光栅中心反射波长λg的改变，而对于温度单独变化所引起的光纤光栅反射波长的改变量为

式中：αs——光纤的热膨胀系数；

ζs——光纤热光系数。

从上式可以看出，当外界环境温度变化较小时，由温度所引起的光纤光栅反射波长的改变量的变化也很微小，裸光纤光栅温度传感器的温度灵敏度不高，为了提高对温度的灵敏度，将光纤光栅封装在热膨胀系数较大的基体材料上，当该基体材料的热膨胀系数为α（α＞＞αs）时，则封装后的光纤光栅的中心反射波长与温度变化的关系为

式中pe为光纤的弹光系数。

2 封装模型的初步设计

从式（3）中可以看出，当选用热膨胀系数α比较大的基底材料作为封装材料时，在外界环境温度的改变量相同的情况下，式（3）与式（2）相比，热膨胀系数大的基底材料所引起的光纤光栅反射波长的改变量较大，所以本文选用铝片作为基底材料对裸光纤光栅进行初步的封装设计，该基底模型如图1所示，实物图如图2所示。

为了比较直观地看出该种封装模型在温度实验时的变形效果，对该种模型进行有限元热静力分析，其分析结果如图3所示。

在该模型的有限元热静力分析中，由于铝片是主要的受热变形元件，而且是主要的分析对象，所以将铝片的网格进行细分，划分的单元总数为310 000个，节点数是460 000个，在进行的热静力分析的结果中可以看出，铝片在受热膨胀时，其最大应变为0.0038446mm。

图1 铝基片模型

图2 铝基片实物图

图3 封装模型热静力分析

3 测温实验

由以上对初步封装的传感器模型进行的有限元分析中可以看出该封装模型的温度变形效果，为了实际验证该种封装方法的有效性，下面对该传感器进行试验验证。

3.1 实验方法

选择1 550 nm波段的光纤光栅，选用型号为BGD-4002的光纤光栅解调仪，该解调仪的采样率为4kHz，分辨率是 1pm，波段是 1525～1565nm。实验中选择一根与封装的光纤光栅相同参数的裸光纤光栅做对比实验，采用水浴实验的方法，验证裸光纤光栅与封装后的光纤光栅在测量表面温度时对温度的灵敏特性，实验原理如图4所示。具体实验过程为采用真空的杜瓦瓶并在瓶中充满热水，通过改变瓶内水的温度，作为实验时的可控热源，再将瓶口用软木塞塞紧，软木塞的中间为通孔，将一根标准水银温度计插在软木塞的另一个小孔中用以测量实验时的温度，将裸光纤光栅与封装的光纤光栅的下端面浸在杜瓦瓶的水中，其中裸光纤光栅用于实验过程中的对比，具体的实物如图5所示。

图4 实验原理图

图5 具体实物图

3.2 实验结果和分析

实验过程中一共记录了7组不同温度时的光纤光栅波长变化情况，该数据记录如表1所示。

表1 不同温度下2种光纤光栅对应的波长对比

对表中所记录的数据进行直线拟合，从而得出裸光纤光栅的中心反射波长λ1与温度之间的关系为λ1=0.010 3T+1 546.821，即该裸光纤光栅测量表面温度时的灵敏度为10.3pm/℃。另外，封装的光纤光栅的中心反射波长λf与温度之间的关系为λf=0.026 8T+1 547.878，即封装后的光纤光栅测量表面温度时的灵敏度为26.8pm/℃。这两者的拟合曲线如图6所示，并且在不同温度时的波长变化的误差如图7所示。从图6中可以看出封装的光纤光栅与裸光纤光栅在测量物体表面温度时，封装的光纤光栅的灵敏度更高，而且从图7中看出，当物体表面温度越高时，封装的光纤光栅与裸光纤光栅的波长变化误差也越来越大。虽然这种封装的方式使得光纤光栅测量物体表面温度的灵敏度提高，但是这种封装的方式和现有的封装方式区别不大，因此，为尽可能提高光纤光栅测量物体表面温度的灵敏性，需要对这种封装方式进行改进设计。

图6 光纤光栅波长拟合曲线

图7 波长变化误差

图8 殷钢-铝基片模型

图9 殷钢-铝基片封装模型热静力分析

4 封装模型改进设计

为了增大光纤光栅测量物体表面温度的灵敏度，单一地运用一种热膨胀系数大的材料作为封装的基底材料确实可以提高灵敏度，但是这种封装方式对于灵敏度的提高只是运用了材料热膨胀系数大的材料受热变形大的机理来提高灵敏度，因此对该封装方式进行改进设计，使用两种不同热膨胀系数的材料，将这两种材料设计成组合体，进行过渡配合，其配合模型如图8所示，选热膨胀系数比较低的殷钢和热膨胀系数比较大的铝，将铝和殷钢进行过渡配合，当铝受热时产生变形，从而在铝和殷钢之间形成挤压力，这种挤压力的分布是中心对称且合力是指向两端，使得铝向两端延伸，而铝由于自身的受热膨胀也将向两端延伸，因此铝片的总应变是挤压变形和受热变形同时作用的效果，以此为原理对封装模型进行改进。

4.1 有限元热静力分析

将殷钢-铝基片封装的模型进行有限元热静力分析，其网格划分和热分析加载条件如前文所述，仿真结果如图9所示。

可以看出加载条件相同的条件下，这种改进设计的殷钢-铝基片封装模型与前文中的铝基片封装模型的热分析结果相比，其铝片的最大应变为0.0052539mm，最大应变增大了0.0014093mm。由此得出这种改进设计方法的有效性。

4.2 实验验证

将前文中的裸光纤光栅替换成这种改进设计的殷钢-铝基片封装的温度传感器，将殷钢-铝基片封装的温度传感器与单纯的铝基片封装的温度传感器做灵敏性对比试验，其他实验条件均不变。

实验过程中一共记录了7组不同温度时的光纤光栅波长变化情况，该数据记录如表2所示。对表中所记录的数据进行直线拟合，从而得出改进设计封装的光纤光栅的中心反射波长λg与温度之间的关系为λg=0.03321T+1547.517，即改进设计封装的光纤光栅测量表面温度时的灵敏度为33.21pm/℃。与铝基片封装的光纤光栅相比，这种改进设计的封装方法使光纤光栅测量物体表面的灵敏度增大了6.41pm/℃。将这种封装方法的实验数据进行拟合，所得的拟合曲线如图10所示。对比两种封装方式，可以看出改进设计封装的光纤光栅测量温度时的灵敏度有很大提高。

表2 改进封装后不同温度下2种光纤光栅对应的波长对比

图10 改进后的光纤光栅波长拟合曲线

5 结束语

本文设计一种基片式光纤光栅温度传感器的封装方法，通过理论分析和具体实验验证了初步设计封装的传感器的温敏特性，并对这种基片式封装方法提出了改进设计，最终改进设计出一种高灵敏度光纤光栅温度传感器的封装方案，即殷钢和铝作为基底材料，用聚乙酯塑料壳和导热脂封装的温度传感器，且经过具体的实验证明了该种封装设计的有效性，这种改进设计的温度传感器的线性相关系数为0.996，灵敏度是33.21 pm/℃，是裸光纤光栅温度传感器的3.224倍，并且有很好的重复性，可广泛应用于多种场合的物体表面的温度测量，具有很好的应用前景。

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（编辑：李妮）

Substrate type high-sensitivity fiber grating temperature sensor

PENG Xionghui，HUANG Anyi，ZUO Haoran
（School of Mechanical and Electronic Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

As a new kind of optical passive device，fiber grating is widely used in sensor measurement.While bare fiber grating is of low sensitivity，thus needs to be strengthened in sensitivity and packaged.This paper put forward a kind of substrate type packaging structure，using two materials（aluminium and invar steel） that have different thermal expansion coefficient for transition fit.When aluminum was deformed due to heating，extrusion pressure formed between aluminium and invar steel，which made the lateral extension weakened and longitudinal extension enhanced，resulting in the increase of the fiber grating strain.Water bath heating test was carried out to compare and analyze the temperature characteristics of bare fiber grating，packaged fiber grating and fiber grating with packaging improved.The results show that the linear correlation of improved substrate type packaging structure temperature sensor is 0.996，and its sensitivity is 33.21 pm/℃，which is 3.224 times that of the bare fiber grating.Compared to the single aluminium material packaging sensitivity，the sensitivity increased by 6.41 pm/℃，thus it can be widely used in a variety of occasions for temperature measurement and has practical value.

temperature sensor；fiber grating；substrate；sensitivity

A

：1674-5124（2017）07-0134-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.07.026

2016-10-08；

：2016-12-12

国家火炬计划项目（2006GH041236，2010GH041417）

彭雄辉（1989-），男，湖北武汉市人，硕士研究生，专业方向为高精度仪器测量。