基于光纤光栅倏逝波传感器的成品油挥发气体温度检测

陈少华 郝 赫 冷文秀 童峥嵘 李 燕

(1中国石油大学(北京)理学院，北京 102249； 2中国石油大学(北京)油气光学探测技术北京市重点实验室，北京 102249； 3天津理工大学计算机与通信工程学院，天津 300384； 4邯郸学院光电子器件与系统重点实验室，河北 邯郸 056005)

在钢铁冶金、航空航天、石油化工、材料和电力等行业的生产过程中，气体温度的实时准确测量对生产工艺优化、生产效率提高和安全生产等方面具有重要的意义[1]。特别在石油化工领域，安全尤为重要，因为很多石化产品都具有易挥发，易燃，易爆等特点。例如，汽油在生产、储运和维护的过程中常常会挥发成气态，遇到点火源极易发生爆炸，造成重大损失。国家标准《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》(标号：GB/T 12474—2008)对常温常压下可燃气体和空气的混合气的爆炸条件下限进行了阐述。而在实际过程中，这些条件会发生变化，因为成品油的挥发性气体随环境温度的升高爆炸下限会降低[2]，所以成品油挥发气体的温度检测具有重要的实际意义。考虑到挥发性气体的易燃、易爆特性，我们制作了FBG倏逝波即腐蚀光纤光栅传感器，用于汽油和柴油挥发气体温度的传感测量，并分析了其用于油品挥发气体温度传感测量的可行性。

1 测量装置及原理

1.1 传感探头的制作

用石蜡将FBG附着在塑料棒上(石蜡既能固定光纤光栅，又能防止栅区之外的光纤被腐蚀)，并用铁架台固定塑料棒[3,4]。取20%的氢氟酸溶液腐蚀栅区部分，为保证腐蚀均匀，容器底部加入磁性搅拌器。反射光谱啁啾前取出FBG，并用去离子水冲洗干净，腐蚀过程结束。放大的腐蚀FBG和腐蚀装置如图1所示。

图1 腐蚀装置示意图

抽取1ml待测油品放入玻璃小瓶中，在空气中静置一段时间，待小瓶内充满该油品的饱和气体，插入制作好的FBG传感器，并将气瓶密封。按图2连接光路。其中，宽带光源为自行制作C+L波段的掺铒光纤自发辐射谱光源(波长范围：1520～1600nm)，光谱测量采用Agilent公司的86140A型光谱分析仪 (波长测量精度：0.001nm)，水浴锅的控温精度为±0.5℃。

图2 实验光路示意图

1.2 传感原理

计算表明，当FBG的包层半径被腐蚀到小于纤芯半径两倍时，纤芯基模的部分能量将以倏逝波的形式泄露到外界介质中，这时的光栅称为腐蚀光纤光栅。其反射中心波长λB与普通光栅表达式相同[5]

λB=2neffΛ

(1)

其中，neff为纤芯模的有效折射率，Λ为栅格周期。

考虑温度T对反射波长的影响。将式(1)两侧对T求导，并整理得

λB=ξ+αλB

(2)

(3)

式中，KT称为温度—波长传感系数，简称温度灵敏度。

考虑到热膨胀系数较热光系数小一个量级，故可以忽略热膨胀引起的波长漂移，并将(2)、(3)两式联立

(4)

对于普通FBG，纤芯模集中在纤芯内部传输，包层的热光效应对纤芯模的影响可以忽略。对于腐蚀FBG，由于倏逝波的影响，纤芯模的热光系数不仅会随温度改变，还会受包层外介质的影响。模拟计算表明，当介质折射率小于纤芯折射率时，随折射率增加，耦合的倏逝波能量将增加[5,7]。

由倏逝波造成纤芯模有效折射率的变化量Δneff可表示为[8]

其中，nex和nc l分别为外界介质和包层的折射率;Δn=nex-nc l表示腐蚀前后外层介质的折射率差；η表示倏逝波能量占纤芯模总能量的比例，也称功率损耗因子[8,9]，而η1和η2分别对应腐蚀前后的η值，其变化量可表示为Δη=|η1-η2|。考虑腐蚀前为普通光栅，η1可视为零，而腐蚀后光栅半径和外层介质折射率恒定，故可认为Δη为定值|η2|。

式(5)代入式(4)得

KT≈ξ·λBΔη

(8)

上式表明，由于存在倏逝波场，即Δη<1，腐蚀光栅的温度灵敏度会小于普通光栅，且耦合至包层的倏逝波越多，灵敏度会越高。但Δη无法求解析解，只能求数值解。

2 实验过程及结果

待测气体分别为空气、汽油和柴油挥发气体。测量时，将封闭好气体的玻璃小瓶放入水浴锅的固定位置，并使水位线高于瓶身以保证瓶中的气体温度一致。气体的温度范围为23～45℃时，测量光栅波长的漂移情况。为了缩短测量时间和减小实验误差，仅对25℃、30℃、35℃、40℃和45℃这5个温度的光栅中心波长进行多次等精度重复测量，而其他温度进行的是单次测量。实验测得的波长漂移曲线如图3所示。

图3 待测气体的波长漂移实验曲线

由图3可以看出，波长呈现出阶梯状的变化，这与温度阶梯状的变化趋势一致。波长增加的曲线部分对应温度上升过程，而平坦的阶梯表面，分别对应上述5个温度的光栅波长。对其求平均值，并作为波长测量值，记录在表1中。

由表1的结果，可以得到温度变化时，空气、汽油和柴油挥发气体波长漂移的实验曲线，如图4所示。可以看出，随着温度增加，反射波长均向长波漂移。对测量值进行线性拟合，得到温度灵敏系数分别为 0.00717、0.00776、0.00862nm/℃，拟合度R2分别为：0.99422，0.99988和0.99992，拟合标准误差分别为0.00975，0.00153和0.00141。

表1 温度改变时，中心波长的测量值

图4表明，3种气体的波长随温度变化均呈现良好的线性关系，表明腐蚀光栅完全适于温度传感测量。同时，空气、汽油和柴油气体的灵敏度呈现逐渐增加的趋势，具体原因将在下节详细讨论。

图4 光栅反射波长的温度漂移曲线

3 讨论与误差分析

3.1 实验与理论对比

将热膨胀系数和热光系数分别代入式(2)可以求出气体的KT值，记为其理论值。结合图4中3种气体的实验值，由式(8)可以估算3种气体对应的Δη，一并列入表2中。

表2 光栅腐蚀前后，温度传感系数对比

由表2可以看出：

(1) 3种气体温度灵敏度的理论值相同，均为0.0135nm·℃-1。普通光栅中，包层厚度远大于纤芯的尺寸，纤芯模只局限在纤芯中传输，故温度灵敏度与外界所测介质无关；

(2) 腐蚀光栅温度系数小于普通光栅的理论值。这是由于部分纤芯模已经耦合至包层及外界介质中，即Δη<1，故较普通光栅会出现明显下降，这与式(8)的结论吻合。如有需要，可以采用金属或其他材料对光栅进行增敏封装。

(3) 不同气体灵敏度系数略有不同。柴油挥发气体的最高，汽油次之，空气最小。

腐蚀光栅中，包层厚度的减少，使纤芯模以倏逝波的形式耦合至包层和外界介质中。同时，光栅反射的纤芯模能量减小，反射率明显降低，且随外界折射率增加，倏逝波能量损耗即Δη将越大。由式(8)可知，对应的温度灵敏度系数将越大。由于含有挥发的成品油分子，故柴油、汽油气体的折射率大于空气，而考虑液体柴油折射率大于汽油，故其挥发气体的折射率也将稍大。同时，气体的折射率远小于固体石英，故对于柴油和汽油挥发气体、空气，能量损耗因子Δη将依次减小，对应的温度灵敏度也将依次降低。由表2中KT的实验值可以预测3种气体Δη的实验值分别为64.0%、57.7%和53.3%，与理论计算的趋势完全一致。折射率不同的介质灵敏度系数不同，有助于一定程度上对挥发气体的种类进行区分，这是腐蚀光栅温度传感的固有特性，也是选择腐蚀，而不是普通FBG作为挥发气体的温度传感探头的原因。

3.2 实验误差分析

为了保证光栅性能的重复性，所有光纤光栅均是同一批次刻写在相同的光纤上，同时，氢氟酸浓度和腐蚀时间也始终保持相同量值，从而保证了腐蚀光栅具有一致的温度传感性能。

除了光栅以外，误差的主要来源是光谱仪读数误差和光源光谱的波动造成的误差。其中，前者是由于光谱仪的分辨率有限造成的，光谱仪的测量精度为0.001nm，最后一位是估读，在计算时会产生一定的误差。为此，在所有测量温度，我们进行了10次等精度测量并取其算术平均值，来消除光谱仪读数所造成的误差。后者是因为光源输出波形的不稳定造成的波长波动，这部分误差在上述等精度测量过程中也可以得到消除。

4 结论

利用FBG倏逝波传感器，对空气及柴油、汽油等成品油挥发气体的温度变化情况进行了实验研究。结果表明，该传感器具有线性度高和容易定标等特点。另外，气体折射率不同，腐蚀光栅传感器的灵敏度不同，于是在一定程度上可以对挥发气体的种类进行区分。最后，由于光栅属于绝缘器件，使用时只需将FBG直接置于所测的气体环境即可。如果在光栅表面蒸镀合适的介质薄膜，还可以进一步提高温度测量的灵敏度。总之，倏逝波型FBG传感器是完全能够满足成品油挥发性气体的温度传感测量需要的。

致谢: 感谢国家高技术研究发展计划(863计划)课题(2013AA014203)、河北省自然科学基金资助项目(F2014109015)，和中国石油大学(北京)优秀青年教师研究项目(2462015YQ0603)对本文研究的支持。

[1] 李银昌，杜杨，梁建军,等.环境温度对汽油蒸汽爆炸下限的影响[J].后勤工程学院学报，2013, 29(2): 30-34.

Li Yinchang, Du Yang, Liang Jianjun, et al. Effects of environmental temperature on the lower explosive limit of gasoline-air mixture[J]. Journal of Logistical Engineering University, 2013, 29(2): 30-34. (in Chinese)

[2] 王建， 黄伟， 顾海涛,等.基于TDLAS的气体温度测量[J]. 光电子·激光，2006, 17(10): 1233-1237.

Wang Jian, Huang Wei, Gu Haitao, et al. Gas temperature measurement based on TDLAS[J]. Journal of Optoelectronics·laser, 2006, 17(10): 1233-1237. (in Chinese)

[3] Lee S, Simarjeet S Lee, Jeong M. Simultaneous measurement of refractive index, temperature, and strain using etched-core fiber Bragg grating sensors[J]. IEEE photonics Technology Letters, 2010, 22(19): 1431-1435.

[4] 桑新柱，余重秀，颜玢玢,等. 基于光纤布拉格光栅的化学传感器[J]. 光学精密工程，2006, 14(5): 771-774.

Sang Xinzhu， Yu Chongxiu， Yan Binbin， et al. Chemical sensor based on a fiber Bragg grating[J]. Optics and Precision Engineering，2006, 14(5): 771-774. (in Chinese)

[5] 袁海龙.腐蚀型光纤光栅在液体介质中的反射谱特性研究[D].南京:南京邮电大学，2014.

[6] 黄德翼,赵明富，罗彬彬,等. 基于光纤Bragg光栅的微生物生长过程检测研究[J]. 压电与声光，2011, 33(5): 725-728.

Huang Deyi, Zhao Mingfu, Luo Binbin, et al. Detection of microorganisms growth process based on fiberBragg grating[J]. Piezoelectrics & Acoustooptics, 2011, 33(5): 725-728. (in Chinese)

[7] 曹雪梅.倏逝波光纤Bragg光栅传感器理论及应用研究[D].重庆:重庆理工大学，2012.

[8] Pereira D. A, Fraza O, Santos J, Fiber Bragg grating sensing system for simultaneous measurement of salinity and temperature[J]. Optical Engineering, 2004, 43(2): 299-304.

[9] 罗彬彬. 光纤Bragg光栅传感技术及其生化传感应用研究[D]. 成都:电子科技大学，2012.