自旋量程可调式金属化FBG温度传感器设计*

朱星盈， 倪 屹， 郭 瑜， 刘化利， 李岱林

(1.江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214000； 2.无锡必创传感科技有限公司，江苏 无锡 214000)

0 引 言

由于光纤光栅具备高精度、现场不供电、远距离传输、全光测量、本质安全、不受雷击、不受电磁干扰、使用寿命长等优点。光纤传感技术从20世纪末至今的几十年里发展极为迅速，除了应用到常见的结构监测等领域[1]，同时也开始应用在如应变点定位、光纤超声传感、液体浓度测量、温度测量等其他新的领域[2～4]。而光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)温度传感器在结构上可以分为管式结构[5]、基片式[6]、压力式[7]等。实验发现对于普通的光纤光栅当温度超过250 ℃时涂覆层会出现熔化现象，因此，在设计中采用金属化封装FBG焊接在新型封装基片上，传统的光纤光栅封装工艺是将制作好的光纤光栅经二次涂覆后，用胶黏剂将其封装在被测物的表面或埋入被测物内部[8]，但此封装用的胶黏剂属于有机物，在恶劣环境下容易老化分解，不利于光纤光栅传感器在恶劣环境中长期使用；其次，当光纤光栅用于传感测量时，胶黏剂和光纤涂覆层都会在测量中产生冗余，导致测量线性和重复性差；一般胶黏剂受环境影响较大，如温度变化和水浸入使其粘结强度下降甚至脱落[9]。金属化光纤是指在光纤光栅外表面镀镍金属，镀层厚度满足焊接要求后，能直接将FBG焊接在传感器基片或是被测物体上。同时也解决了温度与应力交叉影响的问题。

本文利用材料的优势与封装的特点对FBG的温度传感器进行设计，实现了温度量程可调的功能，实验后对温度与波长的函数关系进行拟合，线性度可以达到0.999 9以上，同比于陈淑华等人研制的线性度为0.998 8的双套管式FBG温度传感器[10]实验结果的精度与可靠性更高，已经达到国内领先的水平。

1 原理结构与分析

1.1 传感原理

FBG波长的漂移量Δλ与其轴向所受应变Δε和温度的变化ΔT的关系为

Δλ=λ(1-ρe)Δε,Δλ=λ(1+ξ)ΔT

(1)

式中λ为光纤中心波长；pe为光纤弹光系数；ξ为光纤热光系数，且各数值的大小只与材料本身有关，与温度无关。

由于FBG的热敏感系数比其应变敏感系数高一个数量级，且FGB受到表观热应变的影响，在受到外界应力变化时温度偏离参考温度所引入的波长的位移很难与施加在光栅上的纯机械应力相互区别。由于这种现象广泛存在，所以会影响温度传感器的测量精度。假设参考温度为T0若整体不受外部机械载荷的作用，由于FBG与宿主结构之间的热膨胀系数失配将产生附加应变。该轴向应力可表示为

Δσ=YF(αH-αΛ)ΔT

(2)

式中YF为光纤弹性模量，αH为宿主结构热膨胀系数，αΛ为光纤热膨胀系数。可见不考虑宿主结构温度与应力交叉的影响，FBG的温度与波长可以看作正比关系。

如图1所示为传感器的结构示意图，金属化FBG焊接在封装基片上，其周围采用温度敏感外壳，通过真空隔热内旋装置向下的旋紧后可以主要将温度测量的量程分为200，400，600，800，1 000 ℃共5档，既满足对温度测量大量程的要求又满足其高精度的要求。外界温度通过温敏材料传递到金属化FBG上，通过温度传递面积的差异会产生不同的调制波长，通过光谱分析仪解调出相应波长，再经过标定的关系来计算所对应的温度。

图1 传感器结构示意

1.2 基片结构有限元分析

为了避免无关参数的影响封装基片结构的设计在考虑其测量性能的同时，还应考虑加工、封装等工艺过程，也需要考虑材料的机械加工等性能。设计结构三维图如图2。

图2 封装基片结构三维图

装置选取了TC4的钛合金材料，这种材料的弹性模量与一些常见的金属材料(如不锈钢等)相比较小，测量时可以提高精度，其优势还在于结构设计上采用圆弧状的缓存结构，不但减小了材料自身重力的影响，还能控制温度测量梯度的变化可以应用在外界环境复杂的情况。

宿主结构的热膨胀系数较小，对光纤本身应变的影响可忽略不计，将其在ANSYS中进行温度从0～100 ℃的仿真，应变结果如图3。

图3 封装基片应变有限元分析结果

仿真结果表明：在较大温度变化范围内，封装基片最大的微应变为0.073×10-6，远小于光纤本身的应变;采用所选材料与结构进行封装的传感器在温度测量过程中可以避免温度与应力交叉误差的影响。

2 实验与结果分析

实验原理如图4所示。

图4 实验原理

在实验中采用了3组传感器进行实验，其中一组、二组实验用于测试装置的可靠性，一组、三组测试在不同档位下的精度与线性度，为了验证实验的真实性，用初始波长为1 541 nm左右的金属化光纤进行封装，取温度稳定后波长的平均值。一、二组的温度变化设置成0～100 ℃，10 ℃为一个阶梯，而第三组的温度变化设置为0～200 ℃，20 ℃为一个阶梯，稳定时间为10 min。将3组温度稳定后光纤分析仪中读取的数据整理后，通过Origin对波长与温度的关系进行线性拟合，拟合的结果如图5所示。软件计算可知，第一组传感器的线性度为0.999 8，第二组线性度为0.999 9，第三组的线性度为0.999 9，经过计算一、二组传感器的精度约为20 pm/℃，同时对第二组传感器的波长残差指标进行分析，第二组传感器的波长残差如图6所示。

图5 3组温度与波长拟合关系

图6 第二组传感器波长残差分析

由拟合结果可以看出，金属化焊接的FBG温度传感器的线性度很好，且在不同档位处的满量程精度几乎相等。传感器的残差可以在0.01 nm以内，经过计算满量程精度达到0.05 %，相比于许多同类传感器提高了一个数量级。

3 结 论

本文对有限元仿真的结果可知新型的封装基片在结构上对减小无关变量影响的效果非常好，实验结果表明，自旋量程可调式金属化FBG温度传感器设计的精度约为20 pm/℃，线性度最高可达到0.999 9以上，同时兼备5档测温的优势。在材料的选取利用新型材料TC4可以使得封装基片的弹性更好；真空隔热材料可以有效对传感器内的接触温度进行减敏；金属化FBG可以耐高温与抗老化；同时测量结果的线性度相比国内外同类产品较高，满量程精度也可达到0.05 %，可以广泛应用在大型结构温度场监测、粮库测温、石油化工及管道、电缆接头温度监测、油、水、气等液体温度测量等领域。