高温再生光纤光栅温度传感器封装技术*

薛渊泽, 王学锋, 唐才杰, 蓝 天

(1.北京航天控制仪器研究所,北京 100854；2.北京光纤传感系统工程技术研究中心,北京 100094)

0 引 言

针对航空航天、石油化工、电力、冶炼等高温领域的测量需求,国内外研究人员开展了耐高温光纤光栅的研究。耐高温光纤光栅的种类主要有IIA型光纤光栅、II型光纤光栅、特殊掺杂类型光纤光栅、飞秒激光刻写光纤光栅以及再生光纤Bragg光栅(regenerated fiber Bragg grating,RFBG)等[1～11]。其中,再生光纤光栅是通过对I型光纤光栅进行特定退火处理得到的,具有制作简单、成本低廉、光谱特性良好等优势,满足最高800～1000℃高温环境的测量需求[12]。

再生光纤光栅虽然解决了普通I型光纤光栅高温热衰退的问题,但光纤经高温退火后机械强度降低、易断裂,需要对再生光纤光栅进行可靠封装保护后才满足实际应用条件。2011年,Adamovsky G等人[13]经过1 000 ℃退火制作了再生光纤光栅,采用两层陶瓷管的方式进行封装,经过150～800 ℃的温度标定,给出该光纤光栅温度传感器的三阶拟合曲线；2012年,Barrera D等人[14]利用陶瓷管和镍合金管对再生光纤光栅进行了封装,该传感器最高测试温度达1 000 ℃,误差为±5 ℃；2014年,Silva E V D等人[15]使用钢管对再生光纤光栅进行了封装保护,用于水力发电机轴承的温度梯度监测,但其测试温度仅达到80 ℃。

本文针对光纤光栅高温再生后易断裂的问题,开展了高温再生光纤光栅温度传感器封装技术研究。提出了一种石英—陶瓷管封装的高温再生光纤光栅温度传感器结构,光纤和封装材料的热膨胀系数匹配性好,有利于减小光纤受到的应力影响。通过对石英—陶瓷管封装后的光纤光栅进行1 000 ℃高温退火,得到了高温再生光纤光栅温度传感器,并对该高温再生光纤光栅温度传感器进行了标定,对温度测量精度和高温稳定性进行了测试。

1 高温再生光纤光栅传感器设计

在设计高温温度传感器的封装结构时,需要考虑两方面的内容：封装结构对光纤光栅的影响,如是否对光纤光栅存在应力干扰；封装材料自身的耐高温性能以及与光纤的匹配性[16]。

为了使得光纤光栅温度传感器不受应力的影响,选取单端管式封装的结构,封装结构一端封口,光纤光栅位于封装结构的顶端,在管内处于自由状态,光纤另一端与封装结构粘接,如图1所示。

图1 高温再生光纤光栅传感器封装结构

常见的耐高温封装材料中单端封口、小直径的钨管和镍合金管的定制成本高、周期长,本文最终选择了高温性能好的310 S不锈钢管、刚玉陶瓷管和石英管进行光纤光栅温度传感器的封装。

光纤在封装结构内不可避免地与封装结构存在接触点,光纤与封装结构的热膨胀系数不匹配可能导致光纤受到封装结构的摩擦力影响,降低温度测量精度。从这方面考虑,石英材料与光纤的热膨胀系数基本一致,是较理想的封装材料；但石英管的机械强度较差,为了提高传感器的机械强度,将石英管作为双层管式封装结构的内层、将陶瓷管作为外层。实验开展了石英—陶瓷封装再生光纤光栅温度传感器的实验；同时,选用310 S不锈钢管作为封装材料进行了对比实验。

2 再生光纤光栅温度传感器实验研究

2.1 实验方法

实验采用248 nm的KrF准分子激光器结合相位掩模技术在载氢的普通通信单模光纤上写入I型光纤布拉格光栅,然后通过高温管式封装方式进行封装,并通过高温退火制备耐高温的再生光纤光栅温度传感器。

实验采用Fluke公司生产的9150式热电偶干式炉对封装的光纤光栅温度传感器进行退火,退火温度为1 000 ℃,升温速率为35 ℃/min。在实验过程中,采用Micron Optics公司生产的SM125光纤光栅解调仪实时监测并记录光纤光栅的反射谱。

2.2 不锈钢封装的再生光纤光栅温度传感器

采用内外两层310 s不锈钢管对紫外刻写的I型光纤光栅进行如图1所示的封装,其中,内层管的内径和外径分别为0.2 mm和0.4 mm；外层管的内径和外径分别为0.6 mm和1.2 mm,310 S不锈钢管封装的光纤光栅传感器如图2所示。

图2 310 s不锈钢管封装光纤光栅传感器

将310 s不锈钢管封装的光纤光栅温度传感器放入高温炉中进行退火处理,光纤光栅反射光谱彻底消失后未出现再生。对310 s不锈钢管封装的光纤光栅温度传感器进行拆解和问题排查,在拆解过程中发现,经过高温退火后部分光纤已附着在不锈钢管内壁上。将光纤取出后进行测试,通入红光,在光纤光栅刻写位置之前的传输光纤段出现红光泄漏,说明310 s不锈钢管不适合用于1 000 ℃高温光纤光栅温度传感器的封装。

2.3 石英—陶瓷封装的再生光纤光栅传感器

采用内层为石英管、外层为刚玉陶瓷管对紫外刻写的I型光纤光栅进行如图1所示的封装,其中,内层管的内径和外径分别为0.3 mm和3 mm；外层管的内径和外径分别为4 mm和6 mm,如图3为石英—陶瓷封装的光纤光栅传感器。

图3 石英—陶瓷封装光纤光栅传感器

将石英—陶瓷管封装后的光纤光栅温度传感器进行高温退火处理,退火过程中温度变化及光栅反射率变化情况中使用的光纤光栅在室温下的初始中心波长为1 535.099 nm,反射率为91.4 %,-3 dB带宽为0.23 nm。在温度达到600 ℃时,光栅反射峰强度开始出现明显降低,1 000 ℃保持约5 min后,光栅反射强度降到最低,反射谱被淹没在噪声中,无法识别。并经过约30 s左右,光栅反射谱再次出现,即再生光纤光栅形成,并在8 min后再生光栅反射强度保持稳定。

图4为室温下光纤光栅退火再生前后的光谱图对比。

图4 室温下光纤光栅退火前后反射光谱对比

光纤光栅完成高温再生后,再生光纤光栅的反射峰相对于原始光纤光栅降低了13 dB,反射率约为5 %；-3 dB带宽为0.12 nm。普通的光纤光栅解调仪的动态范围通常可达30 dB,高精度的光纤光栅解调仪的动态范围通常可达50 dB；采用普通的光纤光栅解调仪即可满足再生光纤光栅的测量要求。

3 高温再生光纤光栅温度传感器性能测试

对上述制作的石英—陶瓷封装再生光纤光栅温度传感器进行温度传感性能测试,经过1 000 ℃高温老化48 h后,再生光纤光栅传感器性能趋于稳定。对该传感器进行室温至1 000 ℃的温度标定,选取温度测试点间隔为100 ℃。由实验数据,在大温度变化范围下,光纤光栅中心波长随温度的变化出现一定的非线性,这是由于在大温度变化范围下时,光纤光栅热光系数和热膨胀系数不能再当作常数处理,而是与温度有关的变量[17]。选择三阶拟合方式对标定数据进行处理,如图5。

图5 再生光纤光栅传感器中心波长随温度变化的三次拟合曲线

根据标定曲线,选取热电偶测试温度150,350,550,750,950 ℃ 5个温度测试点进行温度传感器精度测试。再生光纤光栅温度传感器测量温度分别为151.1,348.3,549.4,751.2,947.4 ℃。两者差值分别为-1.1,1.7,0.6,-1.2,2.6 ℃。经过测试,该温度传感器精度在±3 ℃以内。

为了验证再生光纤光栅温度传感器在高温测量时的稳定性,将退火后的再生光纤光栅温度传感器放置在Fluke 9150式热电偶干式炉(标称温度稳定性±0.5 ℃)中保持1 000 ℃,采用SM125光纤光栅解调仪(标称波长测量精度±1 pm)测量再生光纤光栅温度传感器的中心波长,根据标定曲线计算温度。经过5 h连续测试,再生光纤光栅温度传感器输出温度的最大偏差为±0.6 ℃。

4 结 论

针对光纤光栅高温再生后机械强度降低、易断裂的问题,开展了高温再生光纤光栅温度传感器封装技术研究。提出了一种石英—陶瓷管封装的高温再生光纤光栅温度传感器结构,测试结果表明：该再生光纤光栅温度传感器反射光谱信号良好，测量精度优于±3 ℃,1 000 ℃条件下5 h的稳定性为±0.6 ℃,在航空航天、石油化工、电力、冶炼等高温领域有重要的应用前景。