具有温度自补偿功能的光纤光栅传感器结构研制

侯兴勃，李 涛，齐红丽，江 舒，戚培芸

（1. 92493部队，辽宁 葫芦岛 125000；2. 中船重工第七〇四研究所，上海200031）

具有温度自补偿功能的光纤光栅传感器结构研制

侯兴勃1，李 涛2，齐红丽2，江 舒2，戚培芸2

（1. 92493部队，辽宁 葫芦岛 125000；2. 中船重工第七〇四研究所，上海200031）

长周期光纤光栅在拉紧的状态下粘贴在材料为铜和树脂玻璃的衬底材料上，利用材料受热膨胀引起的应变变化原理补偿温度漂移，设计了一种无源温度补偿技术。结果表明，未补偿的光纤光栅的温度灵敏度为118pm/℃左右，安装在铜制衬底上时为78pm/℃左右，而安装在树脂玻璃衬底时光纤光栅透射光谱的波形将发生改变。试验证明选择合适衬底材料可改善长周期光纤光栅波长的温度稳定性，该技术可运用于船舶进行关键参数的工程测量。

温度补偿；长周期光纤光栅；负应变系数

0 引言

长周期光纤光栅近些年来发展迅速，其作为一种光纤无源器件具有很多优点，例如制作工艺简单、插入损耗小、本底辐射低、尺寸小以及易与智能材料相结合等[1]。长周期光纤光栅可用作波分复用隔离滤波器[2]，色散补偿器，增益平坦滤波器和带阻滤波器。不仅在光通讯领域上，用于增益均衡器、带通滤波器[3]、偏振镜等，同时也可广泛应用于传感单元与解调上[4]，如用于基于边缘滤波技术的光纤光栅波长解调技术。该技术也可运用于船舶关键参数的工程测量。

由于光纤固有的热光和热膨胀特性，写入标准光纤的光栅耦合波长将会随着温度的改变而发生漂移，并导致其波长的不稳定。为了解决这个问题，研究人员提出了一些方法，如黄平等人[5]在长周期光栅表面涂覆随温度升高而折射率变大的薄膜层，实现了在25℃～75℃内，波长峰值最大变化小于0.6nm。文献[6-7]分别通过金属套管和有机玻璃对长周期光纤光栅进行了封装进而抑制了温度漂移。文献[8]根据长周期光纤光栅透射中心波长随温度正向漂移和随应变负向漂移的特点，采用有机玻璃封装有效的补偿了温度漂移。

本文选择使用负应变系数进行温度补偿的方法，这种方法不需要主动的温度控制且简单可靠。封装的物理结构，在温度发生变化时，会使得长周期光纤光栅受到应变从而抵消气受温度影响产生的波长漂移量，试验结果证明这种方法可行，并且不同的封装材料补偿效果有差异。

1 长周期光纤光栅温度补偿原理

光从宽带光源入射进单模光纤，并通过长周期光纤光栅与各阶包层模在不同波长处耦合。由于包层模在沿着光纤方向上迅速衰减，在长周期光纤光栅的透射谱中可观察到与各个波长对应的损耗峰。这些谐振波长是由相位匹配条件决定的[8]：

式中，λm是m次谐振波长；nco与nmcl分别代表了光纤导模和LPom包层模的有效折射率；Λ是光栅周期。随着周围环境(比如温度、应变)发生变化，纤芯与包层的折射率以及光栅周期都会发生改变。因此，谐振波长会随温度和受到应变的变化而发生漂移。

当外界温度改变时，长周期光纤光栅的谐振波长漂移为：

式中，p11、p12是弹光张量的分量；ξco、ξcl分别表示长周期光纤光栅芯区和包层材料的热光系数；αΛ表示光纤的热膨胀系数。

同样在轴向均匀应变作用下，长周期光纤光栅的谐振波长漂移为：

式中，pcl、pco分别表示包层和纤芯的有效弹光系数。

由温度T与应变ε的扰动均能引起的谐振波长的漂移，根据式(2)、(3)，进一步可以将波长漂移量 Δλm表示为[1]：

式中，α由热膨胀系数决定，通常为5×10-7/℃；ξ由热光系数决定，不是一个常量，与光栅周期和耦合的包层模顺序有关，约为 2.0×10-5～4.0×10-5/℃。因此，长周期光纤光栅的温度灵敏度系数主要由热光系数决定的。p由弹光系数决定，是与光纤类型、光栅周期和耦合的包层模顺序有关。对于普通的康宁标准光纤而言，应变系数(1+p)是负的，在-0.5～-0.7。

从式(4)可知，长周期光纤光栅的谐振波长会随着温度的升高或应变的减小而增大，也会随着温度的降低或应变的增加而减小。因此，如果拉紧状态下的长周期光纤光栅安装在了某些材料上，它们就能感受到这些材料因为温度变化而引起的膨胀或收缩所带来的应变变化。也就是说，由温度引起的谐振波长的漂移将会被变化的应变量补偿掉。这就是本文设计的长周期光纤光栅温度补偿方法的工作原理。

2 温度补偿试验与分析

本文所设计的温度补偿封装结构示意图如图 1所示，长周期光纤光栅粘贴在温度变化可引起应变变化的基底材料上。为了避免粘结剂影响光纤光栅的特性，只将光纤光栅的两端粘在基底材料上。分别选择铜和树脂玻璃作为基底材料。试验装置的原理图如图 2所示，使用数字温控箱来控制长周期光纤光栅周围的温度，选用Micron Optics公司的Sm125光纤光栅解调仪对长周期光栅的波长进行检测，其光谱范围为1510nm到1590nm，试验所用的长周期光纤光栅的透射谱如图3所示，其FWHM波长为21.49nm，透射率为98.515%，显然该光栅具有良好的边缘线性，适合于光纤布拉格光栅波长解调系统设计。

试验结果如图4、5所示。由图4可得，在35℃～65℃下，光纤光栅谐振波长在使用铜制衬底温度补偿前后的变化情况。试验结果可知：在使用铜制衬底之后，其温度系数从118pm/℃下降到了78pm/℃。

图1 温度补偿封装的示意图

图2 试验装置示意图

图3 长周期光纤光栅透射谱图

图4 在使用铜制衬底进行温度补偿前后的谐振波长漂移

图5 以树脂玻璃为衬底进行补偿时光纤光栅波形的变化

3 结语

长周期光纤光栅通过衬底材料应变引起的谐振波长变化可补偿由温度变化引起的漂移，但当衬底材料的热膨胀系数较大时，透射光谱在温度上升和下降的过程中会发生畸变。本文设计的长周期光纤光栅的温度补偿封装由于其在温度变化时表现出了较高的波形稳定性，可应用在光纤滤波器中。同时该种具有温度自补偿功能的传感器结构为船舶等结构的温度和应变测量提供了新途径，该技术也可运用于船舶关键参数的工程测量。

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Research on Structure Design of Fiber Grating Sensor with Self-Temperature Compensation

HOU Xing-bo1, LI Tao2, QI Hong-li2, JIANG Shu2, QI Pei-yun2
(1. Unit 92493, Huludao 125000, China; 2. No. 704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

A passive temperature-compensating package of long period fiber grating (LPFG) is designed based on its negative strain coefficient. LPFG is pasted on the substrate material, such as copper and plexiglas under tension. The strain induced by the thermal expansion of substrate material is used for temperature compensating. The results show that the mounted grating on copper exhibit lower temperature sensitivity (about 78pm/℃), compared with uncompensated grating(about 118pm/℃). On the other hand, the transmission spectrum waveform of the mounted grating on Plexiglas changes. It is demonstrated that the package could improve the wavelength stability of LPFG when appropriate substrate material is chosen. The technical can be used in measuring key parameters in engineering.

temperature compensation; long period fiber grating; negative strain coefficient

TP212.14

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.01.004

侯兴勃（1967-），男，高级工程师，硕士研究生。研究方向：力学计量。