用于航天环境的布拉格光栅温度传感器灵敏度与精度研究

(北京卫星环境工程研究所，北京 100094)

0 引言

国外NASA、ESA等机构早在20世纪70年代就开始了航天器用光纤传感系统的研究。在航天航空领域，光纤传感器主要是应用在航天器的结构健康监测、复合智能材料等领域。相较电传感器，光纤传感器具有电隔离、抗干扰、耐受恶劣环境、重量轻等优点，尤其是可以有效减小载荷，能在复杂环境下高精度、稳定、实时监测航天器结构的温度、应变等参数，全方位感知航天器结构的状态数据，从而有效保证航天器的正常运行和航天员的生命安全，提高航天任务的可靠性和安全性。

1998年，NASA在X-33航天飞机上采用了基于光纤布拉格光栅传感器了结构检测系统，用来测量燃料储箱、保温层以及机体结构的应变、温度等参量，取得的较好的效果[1]。2001年，在后续的X-38项目中，NASA又使用12支光纤布拉格光栅传感器制作了准分布式光纤光栅结构检测系统，可以测量机体结构的力学载荷[2]，量程达-1000到3000 με。

2009年，ESA在Proba-2卫星上安装了首台光纤传感样机，用于推进器的高温光纤传感器的解调。据报道该传感器可在高达1 100 ℃的高温下工作，稳定超过50小时[3]。

2011年，JAXA将光纤光栅传感器嵌入到碳纤维塑料复合材料中用于结构的损伤检测。实验证明了通过检测传感器的应变可以间接地实现结构的冲击、应力、损伤检测[4]。

目前，国外已经将光纤传感技术成功应用到多类航天器上，例如运载火箭，卫星，载人仓等，技术相对成熟。而国内对于光纤传感技术在航天领域的研究才刚刚起步，与国外尚有不小的差距。另外，有报道的应用在航天器、航天领域的光纤传感研究大多是用在检测航天器的结构健康，材料的应力、应变、嵌入式智能材料等，而用于温度测量的相关研究较少见，根据报道[5]，NASA已经能够做到在-253～280 ℃的宽温度范围内做到准确的测量，而国内鲜见相关研究。

国内对于光纤光栅的研究大多是在民用领域。目前，应用于公路、桥梁、铁路、地铁等工程上的光纤光栅温度、应变传感器已经很成熟了，能够达到较高的精度，应用较为广泛。但是，国内有报道的光纤光栅温度传感器都仅仅能在常温下工作，无法适应航天环境中的低温以及恶劣环境。

我们利用光纤光栅的金属化技术制作了利用镍增敏的光纤光栅温度传感器。此前，光纤光栅金属化技术大多是用于光纤光栅的无胶化封装，以及高温下光纤光栅的保护。我们提出了使用该技术对光纤光栅进行增敏以适用于航天环境中的应用。经过试验，制成的传感器有着较高的温度灵敏度和精度。

1 理论

FBG，即光纤布拉格光栅，是一种在光纤纤芯中制作形成周期性折射率调制结构的光无源器件。首个光纤布拉格光栅是在1978年，加拿大渥太华通信研究中心的K.O.HILL等人在一根掺锗光纤上制成的[6]。

布拉格光纤光栅的结构与平面光栅类似，都是周期性的重复结构，以实现对光的调制。光学特性上，光纤布拉格光栅表现为类似一个窄带光滤波器，当一束宽带光入射进光纤光栅，特定波长附近的光线会被反射回来，其工作原理示意图由图 1所示，图1(b)是反射光的光谱，图1(c)是透射光的光谱。

图1 光纤布拉格光栅原理

该现象可以用耦合模理论来解释。反射光谱中，强度最高对应的波长称为光纤光栅的中心波长，也叫布拉格波长,λB，可用(1)式表示[7]：

λB=2neffΛ

(1)

式中，Λ是光纤光栅的折射率调制周期，neff是纤芯的有效折射率。这两个参量会受到外界环境变化影响，进一步说，外界环境参量的变化会引起光纤光栅反射光谱中心波长发生变化，检测光纤光栅的中心波长就可以反过来实现对环境因素的传感测量。这就是光纤布拉格光栅传感器的基本原理。

经过一系列的数学推导[8]，我们可以得到光纤布拉格光栅的温度传感模型：

(2)

dλB=aTλBdT

(3)

称aT为光纤光栅的温度灵敏度系数，即环境温度变化1 ℃，造成的光纤布拉格光栅中心波长的漂移大小。室温下，对于1550 nm波段的裸光纤布拉格光栅，aT通常约为9.6 pm/ ℃[8]。

常温环境下，光纤布拉格光栅温度传感器的温度灵敏度约为9.6 pm/℃，普通光纤光栅解调仪分辨率一般为1 pm，因此温度分辨率约为0.1 ℃。但是，随着温度的下降，光纤光栅的温度灵敏度会逐渐降低。当温度低于-80 ℃是，光纤光栅的温度灵敏度只有5.41 pm/℃[9]，仅为室温条件下的一半左右。温度越低，光纤光栅的温度灵敏度也越低，精度也随之变差。然而，航天器表面、内部温度最低可达-200 ℃，这远远超出了普通布拉格光纤光栅的测温范围，必须解决这个问题。

一个可行的解决方案是对光纤光栅进行增敏。即使用具有较高热膨胀系数的材料作为裸光纤光栅的基底或者涂覆，当温度改变时，增敏材料随着温度的变化膨胀或者收缩，带动光纤光栅膨胀或收缩，引起布拉格波长的漂移。由于选取的材料热膨胀的程度要比光纤光栅本身高，所以起到了增敏作用。

常见的增敏材料有各种金属以及高分子材料。使用高分子材料进行增敏，通常的做法是将增敏材料做成基底，然后将布拉格光纤光栅粘接在基底上面。这种方法操作简单易行，但是胶粘剂寿命较短，容易发生蠕变，严重影响布拉格光纤光栅测温的精度与稳定性。金属材料也可使用基底的方式增敏，但是利用金属本身延展性好这一特性，我们可以将布拉格光纤光栅表面制作一层金属涂层，这既可以客服胶粘法的一些缺陷，也可以达到增敏的目的。常见金属的热膨胀系数见图2。

图2 常见金属的热膨胀系数

从图2可以看出不同金属的热膨胀系数也不同，铅、锌、铟等金属具有着极高的热膨胀系数，铝、银、铜则适中，镍的热膨胀系数最低。但即使是最低的镍金属，其热膨胀系数也比石英要高出一个数量级以上[10]。考虑到现有的工艺，将镍涂镀到光纤表层是最经济、简易的，因此我们选择了镍金属作为增敏材料。

2 实验与测试

2.1 镍涂层光纤光栅的制作

为了对布拉格光纤光栅进行增敏，我们采用化学镀的方式将光纤光栅表面镀上一层薄金属镍。从理论上说，化学镀实际上是一种氧化还原反应，与电镀工艺相同，是金属盐中的阳离子被还原剂还原成金属单质的过程。但是化学镀能够在不导电的绝缘体表面实现，而电镀只能用于金属导体上。整个工艺流程如图 3所示。

图3 金属化工艺流程图

我们采用的光纤光栅是杭州光佑公司生产的光纤布拉格光纤光栅，中心波长约为1 563 nm，反射率90%，带宽0.3 nm，光纤光栅上的涂覆已经使用机械手段除去。首先，将光纤光栅浸泡在10%的NaOH溶液中，去除附着的油污与灰尘，10 min后取出，在超声波清洗机中清洗3 min。

由于光纤光栅的材质是石英，即使金属单质被还原出来，也不易沉积到光纤光栅表面。因此我们采用钯催化剂对光纤光栅表面进行活化和催化。实际上，这种活化-催化两步法最早是用于对于塑料表面进行化学镀的处理工艺[11]，但也可以应用到光纤光栅上[12]。活化剂与催化剂的配方如表 1

表1 活化-催化配方

将清洁后的光纤光栅在活化液中处理20 min，取出，立即放入催化液中处理10 min，然后用流动的去离子水洗净。注意在清洗时必须将光栅表面与空气充分接触，以便催化液中的Pd2+离子充分被氧化形成光纤光栅表面的纳米集团，形成有利于金属镍吸附的基团，在化学镀时才能使镍镀层牢固吸附于光纤光栅表面。这也是催化后不用超声波清洗机清洗的原因。

经过活化、催化后的光纤光栅就可以进行化学镀处理了。我们采用酸性镀镍工艺，镀液配方如表 2。

表2 镀液配方

称取相应质量的化学试剂溶于去离子水加入大烧杯中，再使用NaOH调节PH值到4.0～5.0。此时，溶液呈蓝绿色，烧杯底部有部分沉淀，如图 4(a)所示。

将光纤光栅固定在烧杯内部，放入水浴锅中加热。在开始时，将水浴锅的温度控制在95 ℃，随着温度的升高，镀液温度开始升高，颜色逐渐变深(图 4(b))，最后稳定在约86 ℃。持续水浴50 min后，镀液沸腾，颜色逐渐加深，最终变为蓝黑色，且由透明液体逐渐变为不透明，见图 4(c)。镀液沸腾后，保持镀液沸腾的状态10 min，然后将水浴锅的温度降低到80 ℃，保持1 h。化学镀结束后，最后镀液的颜色为蓝黑色，比较透明，肉眼可见烧杯中有金属镍析出，见图4(d)。

图4 镀液状态图

在显微镜低倍状态下观察镀镍完成的光纤布拉格光栅，见图 5。左端较厚的部分是未去除的涂覆层(成分为丙烯酸酯)，中间较细的部分是去掉涂覆后光纤光栅，上面是金属镍镀层，肉眼可见反光明显。镍镀层厚度均匀，表面光滑，未见肉眼可见缺陷。

图5 镀镍光纤布拉格光栅

在显微镜较高倍数下的制作好的镀镍布拉格光纤光栅如图6。镀层非常光滑，没有粗糙的毛刺，与布拉格光纤光栅结合完好，明显反光，厚度均匀。根据图像计算出的镍涂层的厚度约为5 um。证明化学镀工艺用于制作光纤光栅的金属化涂层是完全可行的。

图6 镀镍布拉格光纤光栅的高倍视图

2.2 温度灵敏度和精度测试

目前对布拉格光纤光栅温度传感的研究主要着重于对布拉格光纤光栅进行增敏。前文已经提过，普通未经增敏处理的布拉格光纤光栅的温度灵敏度大约在9.6 pm/℃, 普通光纤光栅解调仪分辨率一般为1 pm，即温度分辨率约为0.1 ℃,相比铂电阻等电类温度传感器，这个数值并不高，因此，大多数研究都是致力于提升布拉格光栅光纤的温度灵敏度，使用各种手段进行增敏，以达到更高的测温精度。

现在广泛使用对布拉格光纤光栅进行增敏的技术主要是将膨胀系数较高的材料作为基底或者涂覆到布拉格光纤光栅上，间接提升布拉格光纤光栅的温度灵敏度。但是，实际应用中很难使增敏材料与布拉格光纤光栅理想结合，二者之间极易发生相对滑动，这样，布拉格光纤光栅的测温重复性与精度就会受到极大影响，产生较大的误差。

理论上来说，相比传统的的使用胶粘封装增敏的布拉格光纤光栅温度传感器，我们使用化学镀镍制作的金属增敏布拉格光纤光栅稳定性更好，更不易发生蠕变，有着更长的寿命。我们实验测试了制作好的增敏布拉格光纤光栅的性能。

我们使用sm125光纤光栅解调仪解调光栅，KM3型环境模拟设备模拟宇宙空间环境(真空，低温)，测试了制作的镀镍光栅。我们控制设备内的温度在80 ℃到-110 ℃之间升降，循环4次，以尽可能仿真布拉格光纤光栅在宇宙空间中的环境温度变化，测试得到镀镍光纤布拉格光栅的温度精度。模拟舱内的环境温度变化见图 7。

图7 舱内温度变化曲线图

舱内温度升降有4个阶段，图 8上用字母标注了各阶段转折点。为了模拟实际情况，设备内的温度升降速度不是均匀的。记录各阶段的温度数据和布拉格光纤光栅的中心波长数据，将各阶段记录的温度-光纤光栅中心波长数据作图，见图 8。，图上共有四条曲线，对应温度升降的4个阶段，其中Down1对应的曲线是AB阶段，Up1对应的曲线是CD阶段，Down2对应的曲线是DE阶段，Up2对应的曲线是EF阶段。

图8 光纤光栅中心波长

将4条曲线分别进行三次多项式拟合，得到表3，其中，拟合曲线用y=Intercept+B1×X1+B2×X2+B3×X3表示。

表3 拟合结果曲线拟合结果

从表3中可以看出，三次多项式可以较好地拟合布拉格光纤光栅的中心波长与温度的变化情况，这与理论研究较符合[9]。对四条曲线求一阶导数，作图得到图 8。从物理意义上来说，图 9的曲线就代表镀镍布拉格光纤光栅的温度灵敏度，单位是nm/℃，即温度每变化1摄氏度，光纤光栅的中心波长的变化量。从图中可以看出，室温时，光纤光栅的温度灵敏度约为0.010～0.011 nm/℃左右，即10～11 pm/℃左右，比裸光纤光栅略高一些；随着温度降低，温度灵敏度也降低，-120 ℃时约为6 pm/℃，仍比裸光纤光栅高[9]。

图9 光纤光栅温度灵敏度

考虑-110～0 ℃范围内的精度。对图 8中最上面的曲线Up1和最下面的曲线Up2做减法(即两条相差最大的曲线)，得到图 10。在-110～-40 ℃范围内，光纤光栅的重复误差约为pm，考虑到该温度范围内的温度灵敏度约为7 pm/℃，则光纤光栅传感器的温度精度约为1 ℃。在-40～0 ℃范围内，光纤光栅的重复误差稍大，约为15 pm，考虑到此时光纤光栅的温度灵敏度也略高，按9 pm/℃计算，则光纤光栅传感器的温度精度约为℃。

图10 光纤光栅的波长误差

3 结论

我们使用化学镀镍工艺制作了镍增敏的光纤布拉格光栅，实验证明了化学镀工艺能够成功地在光纤光栅表面沉积一层镍镀层，且能够起到有效的增敏作用。实验结果与理论预测比较符合，经过增敏后的光纤布拉格光栅温度灵敏度在7～11 pm/℃之间，重复精度较高，在-110～-40 ℃范围内精度可达±1 ℃。

目前，对光纤光栅金属封装的研究大多都是针对提高布拉格光纤光栅的温度灵敏度与高温下的保护封装，而我们开创性的研究了低温下布拉格光纤光栅的温度传感性能以及增敏后的布拉格光纤光栅的重复精度，可为布拉格光纤光栅的航天应用提供参考。