光纤光栅非金属耐腐蚀封装及其温度特性研究

张学智，祝连庆，张荫民，刘 锋，郭阳宽

(北京信息科技大学 光电信息与仪器北京市工程研究中心，北京100192)

1 引言

随着经济的迅猛发展，石油资源的需求量日益增大［1］。对大型容器的温度、压力、液位等物理参量的监控十分必要［2－3］。防止火灾的发生，避免经济损失以及保证工作人员的人身安全，对温度参数的实时监控至关重要。传统的电学传感器在使用中发热严重，带来火灾隐患，而且无法在电磁干扰及化学腐蚀环境下正常工作。光纤本身的材料就是电绝缘介质，安全可靠，光纤光栅传感器能够很好地解决以上问题［4－6］。

光纤具有强抗干扰能力，灵敏度高，体重轻，体积小，复用能力强，能够实现多参量的分布式测量。光纤Bragg光栅(fiber Bragg grating，FBG)传感技术采用波长编码，不受到光强变化与光纤弯曲损耗等其他因素影响［7－11］。然而，光栅本身非常纤细脆弱，FBG传感器的工作环境往往十分恶劣，因此，必须对光栅进行有效封装，才能满足不同工程的实际需求［12－13］。FBG中心波长易受温度与应变参量交叉影响，这成为光纤光栅传感器在封装制作中的难题［14］。

1995年，Inoue等人［15］首先将FBG粘贴在铝片上;同年，G．W．Yoffe等人［16］提出了采用二氧化硅毛细管与铝合金毛细管双层封装FBG的方法。国内也在光纤光栅传感方面进行了诸多研究，张燕君等人［17］提出了一种FBG的毛细钢管封装工艺;于秀娟等人［18］采用钛合金对FBG进行片状封装，提出了FBG钛合金片封装工艺。但是，FBG温度传感器不仅仅要考虑到温度灵敏系数，还需要根据其工程环境对封装材料与方法进行调整。在强腐蚀环境下，传统金属封装的传感器无法长时间健康工作，而聚四氟乙烯材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯又具有耐高温的特点。因此，利用聚四氟乙烯材料封装FBG温度传感器研究有着深远的意义。

2 光纤光栅温度传感的理论分析

根据麦克斯韦的经典方程，利用光纤耦合模理论，并结合光纤光栅传输模式的正交关系，可以得到光纤Bragg光栅中心波长的基本表达式为:

式中，neff为光纤芯区的有效折射率;Λ为光纤光栅周期。光纤光栅周期Λ可以通过调整两束相干紫外光的相对角度而得以改变，利用这样的方法，就可获得不同中心波长的光纤Bragg光栅。

对中心波长的基本表达式(1)取微分，可得到光纤Bragg光栅中心波长漂移量ΔλB的表达式为:

式中，ΔΛ表示温度变化引起的受热膨胀或者是轴向应变对周期产生了影响;Δneff表示温度变化引起的热光效应或者是轴向应变引起的弹光效应对光纤纤芯有效折射率产生了影响。

再对基本表达式(1)对温度T求导数，得:

用表达式(3)两端分别除以基本表达式(1)两端，得:

表达式(5)为光纤Bragg光栅温度传感的基础表达式。不难看出，在确定光纤光栅的材料后，材料的系数可以看成常数。理论上，封装出的温度传感器会得到很好的线性输出。

表达式(6)为光纤Bragg光栅中心波长关于温度的关系式，通过监测反射波长值的变化，可以计算出实测环境温度的变化。对于石英光纤，α～0．5×10－6/℃，ξ～6．7×10－6/℃。由此可估算出，在常温下光纤Bragg光栅的温度灵敏度系数为7．2×10－6/℃。对于1．5μm系列的光纤光栅，单位温度变化导致光栅中心波长漂移量为0．0108 nm/℃，由于掺杂成分与浓度的不同，各类光纤的膨胀系数α和热光系数ξ也有较大差别。因此，温度灵敏度也会相差很大［15］。

3 光纤光栅温度传感的实验研究

3．1 选材封装

实验中所使用的FBG涂覆层主要成分为环氧树脂、固化剂以及填充剂。并不能满足在强腐蚀环境下中工作，需要对其保护性封装。

聚四氟乙烯具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力，是一种性能优异的工程塑料，因此将其作为基底材料。聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，可应用于性能要求较高的耐腐蚀的管道、容器等。然而，其突出的不粘性，限制了其工业上的应用。它虽然是极好的防粘材料，但这种性能又使得它与其他物件的表面粘合极为困难。由此可见，粘接之前对其表面进行预处理是十分必要的。此FBG温度传感器采用的预处理方式是化学试剂处理，粘接使用的胶粘剂均为聚四氟乙烯树脂胶。

FBG温度传感器封装结构如图1所示，整体结构尺寸为55 mm×1．5 mm×5 mm。封装前的准备工作十分必要，聚四氟乙烯树脂胶需要按比例调匀，静止至气泡消失;光栅部分与衬底顶盖需要进行清洁处理。乙醇擦拭，超声清洗，待表面晾干进行穿套。对FBG施加一定的预紧力，以防止胶粘剂固化收缩导致光纤光栅发生啁啾现象。衬底内侧利用化学试剂进行表面活化处理，在目标区域点胶。封装固化后，还要对其进行热退火，这是为了充分释放胶粘剂的内部应力，彻底去除啁啾现象对标定数据的不良影响。

图1 光纤光栅温度传感器封装结构Fig．1 Encapsulating structure of FBG temperature sensor

3．2 测温实验

FBG温度传感实验装置如图2所示。采用Bayspec公司生产的FBG解调仪作为信号采集设备，扫描频率为100 Hz，扫描范围为1519～1570 nm，波长分辨率为1 pm，解调仪输出C波段宽带光。封装处理前FBG反射率为90%，中心波长为1541．038 nm，经过封装处理后FBG中心波长为1541．042 nm。选用Lightcomm公司生产的3端口环行器连接解调仪与FBG传感器;宽带光源由环行器1端口耦合进入环行器，由2端口注入FBG传感器，反射光经由2端口和3端口输入解调仪。FBG敏感元件放置于型号为9503A的电热恒温鼓风干燥箱，其测量精度为0．1℃。

图2 FBG温度传感实验装置Fig．2 Schematic diagram of FBG temperature sensing

将待测FBG温度传感器放入电热恒温鼓风干燥箱内，温度范围设定在35～80℃。进行6组升温降温的循环实验，升温以35℃作为温度起始点，每5℃作为一个温度间隔，并保持10 min左右，升温至80℃后开始降温，同样每5℃作为一个温度间隔，并保持10 min左右，使鼓风干燥箱内温度稳定，光栅伸缩均匀，记录每5℃变化下FBG温度传感器的中心波长值。

3．3 实验分析

FBG温度传感器在35～80℃的中心波长随温度变化的曲线如图3所示。图3(a)为升温曲线，FBG传感器的温度灵敏度系数为9．93 pm/℃;图3(b)为降温曲线，温度灵敏度系数为9．92 pm/℃，与理论上裸光栅基本一致。而且，Bragg中心波长与温度的关系呈现出十分良好的线性关系，相关系数达到0．999以上，证明封装后光栅保持拉直状态，很好避免了光栅弯曲引起的啁啾现象。FBG传感器自然放置于鼓风干燥箱，免受一切外界应力应变对其的影响，但鼓风干燥箱工作时自身振动会对波长的漂移值产生一定的影响。每个温度点测量都会受到振动带来的波长漂移，在鼓风干燥箱工作稳定后，振动情况基本保持恒定，Bragg中心波长受到振动而导致的漂移量也相对稳定，这对数据拟合线性度的影响并不明显。但是，无论在升温或降温的过程中，60℃时反射峰值明显偏离拟合曲线。经分析，可能是由于鼓风干燥箱风扇转速变化致使设备发生共振现象，FBG传感器受到比其他温度测量点更为强烈的振动，致使波长漂移值发生了明显变化。

图3 FBG温度传感器在35～80℃时中心波长随温度变化的曲线Fig．3 Change curve of center wavelength of FBG temperature sensor against the temperature from 35℃to 80℃

标定过程中使用的光纤Bragg光栅解调仪的分辨率与精度决定着光纤光栅温度传感器的分辨率与精度。Bayspec公司的光纤光栅解调仪的分辨率为1 pm，精度为7 pm。而光纤光栅温度传感器的中心波长随温度的变化是9．93 pm/℃，因此，光纤光栅温度传感器的分辨率为0．10070℃，精度为0．70493℃。

聚四氟乙烯封装的FBG温度传感器的温度传感灵敏度系数KT的平均值为9．93 pm/℃，而且滞后性良好。为了检验FBG温度传感器的重复性，对每次升温的Bragg中心波长数据记录如图4所示。从图中可见，每个温度点的Bragg中心波长基本保持一致。不难看出，55～60℃过程中中心波长变化量最大，60～65℃过程中变化量最小，而且重复性实验数据均体现出这一问题。经分析，很大可能是由于鼓风干燥箱共振导致。总体来说，封装后的FBG传感器是具有很好重复性的。

图4 重复性实验数据Fig．4 Experiment of data of repeatability

图5 中心波长最大值与最小值的差值曲线Fig．5 Curve of variation of center wavelength of the maximum and minimum values

由图5可见，大量反复实验中，每个温度测量点Bragg中心波长相差并不明显。而差值最大的点还是出现在60℃，分析得出鼓风干燥箱的共振现象很可能造成中心波长稳定度降低，差值变大。

上述实验结果与分析证明了FBG温度传感器设计的可行性。与裸光栅基本一直的温度灵敏度系数，线性度达到0．999，0．1℃的分辨率，0．7℃的精度以及良好的重复性，无迟滞现象，这些参数基本满足工程使用中的需求。

4 结论

光纤光栅本身比较脆弱，容易折断。为了长时间处于极端恶劣环境下工作，本文采用耐腐蚀材料来制作FBG温度传感器，衬底和胶都选用聚四氟乙烯材料。通过鼓风干燥箱对FBG传感器进行温度标定实验。经过多组数据对比研究，结果表明，FBG温度传感器的温度灵敏度系数为9．93 pm/℃，与裸光纤理论值一致，线性度相关系数达到0．999，对温度的分辨率为0．10070℃，精度为0．70493℃。良好的重复性与滞后性保证了其长期在恶劣环境下对温度进行实时监控。随着光纤光栅相关产业的蓬勃发展，对温度灵敏度要求的不断提高，非金属耐腐蚀封装并不能满足高精度测量的需求，保护性封装向增敏封装的改进将成为产品的发展方向。本文作者正在针对非金属耐腐蚀增敏封装中面临的增敏与测量温度范围相制约、中心波长稳定度低等问题进行研究。

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