卫星环境温度监测的光纤光栅传感器研究

徐福胜,闫 光,钟国舜,孟凡勇,祝连庆

(1.北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院,北京 100192；2.光电信息与仪器北京市工程研究中心,北京 100016；3.华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

卫星在轨飞行时,卫星外部会受到-100～100 ℃的恶劣交变温度,然而卫星内部又必须保证一定的温度范围,以保证星内的仪器设备工作正常运行。一般卫星内部仪器设备工作温度需保持在5～45 ℃之间,个别部分只允许在恒定温度下由1～2 ℃的变化范围。因此对卫星内部环境温度的监测具有重要的意义。常用测温的热电偶型或热电阻型等电子类温度传感器易受电磁场的干扰。而光纤光栅温度传感具有灵敏度高、质量轻、体积小、抗电磁干扰等诸多优点[1-8],非常适合于恶劣太空环境中对卫星温度参数的监测。近年来,很多专家学者对光纤光栅温度传感特性进行了研究并应用在了诸多领域。2000年,新加坡的Murukeshan[9]等人用光纤光栅研究了复合材料固化过程的温度特性；2009年,武汉理工大学的孙振华[10]等人做了机载环境下光纤光栅温度传感的研究；2015年,中国科学院半导体研究所的张登攀[11]等人设计了一种圆柱体外壳的光纤光栅温度传感器并应用于快速海洋测温；2016年,北京信息科技大学的闫光[12]等采用高热胀冷缩系数的复合材料作为基底,对光纤传感器结构和封装形式进行了优化研究；2017年,山东科学院激光研究所的刘媛[13]等人将光纤光栅温度传感器应用在变压器上对其绕组进行温度监测。但是将光纤光栅温度传感应用在卫星领域的研究几乎没有报道。

本文基于光纤光栅测量原理,设计了一种新型的光纤光栅温度传感器,采用一种新颖的封装技术,将光纤光栅封装在一种有机聚合物基底中。经过改进封装结构,解决了光纤光栅温度-应变交叉敏感问题[14]。并进行了0～60 ℃的温度特性理论与实验分析,为光纤光栅温度传感器在卫星内部环境温度的使用提供依据。

2 光纤光栅传感理论分析

2.1 光纤光栅温度传感理论分析

光纤光栅温度传感原理是由于外界温度的改变,引起光纤Bragg光栅(FBG)波长发生漂移。造成波长漂移的主要原因包括:光纤热膨胀效应、光纤的热光效应及光纤内部的热应力引起的弹光效应[15-16]。根据耦合模理论[17-19],光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长λB与折射率和光栅周期的关系为:

λB=2neffΛ

(1)

只考虑温度T的影响,对式(1)两边同时取自然对数然后再对T求导可得:

(2)

将式(2)简化,用ξ表示光纤光栅热光系数,用α表示光纤光栅热膨胀系数。因此,光纤光栅反射波长与温度变化关系进一步可以得到:

(3)

令KT=λB(ξ+α),KT为光纤布拉格光栅温度传感的灵敏度系数,由此可得:

ΔλB=KTΔT

(4)

式(4)为在没有外力的作用下,裸光纤布拉格光栅中心波长漂移量与温度变化的关系,因此,可以通过测量中心波长的漂移量算出温度的变化量。

考虑到各种因素,实际应用不利于直接使用裸光纤光栅进行温度测试,因此需要进行光纤光栅的封装。光纤布拉格光栅封装后,封装材料会极大地改变光纤布拉格的传感特性。若用αs表示基底材料的热膨胀系数,则此时封装后的光纤布拉格光栅温度传感器的温度响应可表示:

KT=ΔλB/ΔT=λB[ξ+α+(1-Pe)(αs-α)]

(5)

其中,Pe为光纤的有效弹光系数,对于纯石英光纤,Pe≈0.22。本文选用的封装材料为一种有机聚合物,这种基底材料的热膨胀系数远远大于光纤材料本身的热膨胀系数,即满足αs≫α,因此式(5)可简化为:

KT=λB[ξ+(1-Pe)αs]

(6)

则光纤布拉格光栅温度传感器温度灵敏系数KT是一个仅与基底材料热膨胀特性有关的常数。

2.2 光纤光栅传感器应变传递理论分析

光纤光栅聚合物基底封装温度传感器的纵向截面示意图如图1(a)所示。

图1 光纤光栅传感器应变传递图

假设传感器所使用的材料都是线弹性的,且传感器与被测件之间无相对滑移；传感器各部分之间接触良好,没有相对滑移；粘贴光纤光栅对基底没有影响；粘贴传感器对被测件没有影响；那么可以得到传感器与粘接件之间的平均应变关系,便可得到应变传递系数。

传感器轴向应力分布示意图如图1(b)所示,对称轴上光纤光栅圆心为xy轴坐标原点,其中x轴为光纤光栅轴向,y轴为竖直向下,τyxn为各相邻部分间的剪切应力,dσn为各部分之间的轴向应力,对传感器从上到下各组成部分进行编号,则最终可得到被测件表明施加的应力传递到光纤光栅传感器栅区所受到的应力值。当外界环境温度恒不变的情况下,光纤光栅温度传感引起的波长值保持不变,因此,可根据应变传递理论模型得到光纤光栅温度传感器受到应力引起的波长变化情况,从而可判断光纤光栅温度传感器是否会受到应力的影响。

3 光纤光栅温度传感器封装设计与分析

3.1 传感器封装设计

为了解决光纤光栅温度传感面临的温度-应变交叉敏感问题,必须采用合适的结构和封装技术,这样才可保证温度监测的时候传感器与被测对象充分接触,同时温度传感器的传感特性不为被测对象的热膨胀和应力制约。结构上,本文设计了一种方形结构的光纤光栅温度传感器,如图所示2(a)所示,在35 mm×5 mm×1.3 mm的金属壳中心位置开27 mm×3 mm×0.8 mm方型槽用于放置基底,方槽两端对称位置各开2.5 mm×3 mm×0.5 mm小槽用于固定光纤保护套管。封装上,本文选用了一种热膨胀系数极大的聚合物作为基底材料进行封装,可大大提高光纤光栅温度传感特性,如图2(b)所示,首先将光纤光栅弯曲形成一定弧度,然后在光栅两端用环氧树脂胶进行固定在聚合物基底上,这样保证光栅处于悬空松弛状态,然后,用硅橡胶将聚合物基底固定在传感器外壳的底端,然后使用套管进行保护光纤,并用硅橡胶将其牢牢粘固,套管受到外力作用下不会传递到传感器栅区部分,从而无外力影响温度传感器。最后,将温度传感元件封装在外壳内部进行保护,通过使用硅橡胶进行合盖,并在外围边缘涂抹薄薄一层硅橡胶防止有缝隙。这种封装形式,由于传感器敏感元件光栅处于悬空状态,与基座分离,解决了温度、应变交叉问题。因此,该封装方法以及传感器结构既不影响传感特性,又具有一定的保护作用。

图2 温度传感器封装设计图

温度传感器实物如图3所示,传感器的保护外壳选用的为7075T6航天专用铝制材料,考虑到太空真空环境下热量通过热辐射进行传递,因此外表面进行了发黑处理。

图3 光纤光栅温度传感器

3.2 传感器有限元分析

有限元分析法被广泛应用在力学结构测试范畴,通过对我们设计的理论模型进行有限元分析,可以首先理论上验证模型的可行性。本文使用了应力仿真软件对这种封装结构的光纤光栅温度传感器进行了拉伸受力模拟仿真,受力云图如图4所示,通过将光纤固定在有机聚合物上表面,栅区处于悬空状态,考虑到卫星内部器件工作绝对温度为50 ℃左右,因此给被测件在X、Y、Z三个方向各自施加了500 με,结果发现传感器栅区部分受到的应变几乎没有,因此,理论上可以认为这种结构在被测件未受到极大形变的情况下,光纤光栅不会受到应变的影响。

图4 传感器有限元受力云图

4 实验与分析

4.1 应变验证性实验

为了验证光纤光栅温度传感器在实际使用过程中不会受到应变的影响,将温度传感器粘贴在45号钢金属拉伸件上表面的中间位置(如图5放大部位),粘贴使用环氧树脂胶,并在拉伸件此位置的背面部位粘贴应变片,然后在MTS(Material Test System)拉伸试验机上对传感器进行纵向100～500 με反复拉伸试验。试验装置如图5所示,通过反复施加应力,得到应变片粘贴拉伸件位置处的应变变化情况,同时光纤光栅温度传感器得到此位置处的波长变化情况,试验环境温度保持在24 ℃恒定不变,使用的温度传感器光栅初始状态中心波长为1540.792 nm。

图5 MTS机拉伸试验现场图

试验结果表明,在实验室恒定温度下,经过反复进行纵向施加应力,拉伸件粘贴应变片的位置应变发生升降循环变化,而对应的温度传感器的中心波长始终稳定在±3 pm变化范围内,因此,可以认为该温度传感器不受应变的影响。

4.2 光纤光栅温度传感实验

4.2.1 实验仪器与过程

良好的重复性、线性度、一致性和灵敏度是对传感器的基本要求。为了检验封装后的光纤光栅温度传感器的波长温度特性,进行了相关的温度试验。

在0～60 ℃范围内,首先对光纤光栅温度传感器的重复性进行了温度循环实验。实验采用恒温水浴法,通过控制恒温水浴槽的温度,设置了20 ℃、40 ℃和55 ℃三个稳定点进行升降温循环实验,每个温度稳定点设置稳定10 min,共进行了9次完整的升降温循环实验。实验装置图如图6,选用了3个同一批次封装的温度传感器,其中光纤光栅长度为10 mm,常温下中心波长依次为1540.136 nm、1540.787 nm、1550.076 nm,并依次进行编号为1、2、3号。恒温水浴槽为美国福禄克公司生产的深井台式恒温槽,型号为FLUKE 7381,分辨率为0.01 ℃,解调仪为FBGA光纤光栅解调仪模块,分辨率为20 pm,精度为1 pm,扫描范围为1526～1568 nm。

图6 温度重复性实验装置图

然后在0～60 ℃范围内,从0 ℃开始,以10 ℃为一个步进,进行了温度标定实验,温度标定实验装置图如图7所示,实验记录下每个温度点对应的波长值,通过线性拟合得到不同传感器的波长-温度曲线。

图7 温度标定实验

4.2.2 实验结果与分析

首先将9次温度升降循环采集的数据进行拟合,如图8所示,横坐标为采集数据时间,纵坐标为随温度变化的中心波长值,曲线中水平段为温箱设置的三个温度稳定点稳定10 min的波长数据。

为验证重复性,通过Labview软件计算出温度稳定点10 min水平段处对应的中心波长值,最终可得到多次温度循环一系列同一温度下的多次波长值。对实验数据进行记录和保存。这三个温度传感器重复性如图9所示,每一个传感器的3个温度稳定点分别用Origin软件进行曲线拟合,横坐标为达到温度稳定点的次数,纵坐标为每次达到温度稳定点对应的中心波长值。

图8 温度传感器9次温度循环曲线

(a)1号 (b)2号

(a)3号

根据重复性数据,以第一次温度循环升温的每个温度稳定点的中心波长值为基准值,后续每次到达同一个温度点下的中心波长值都与对应的第一次基准值做差处理,结果表明这3个温度传感器不同温度下中心波长重复性最大偏差不超过2 pm,因此这种形式的光纤光栅温度传感器具有良好的重复性；

为验证线性度,利用Origin数据处理软件将这三个温度传感器不同温度-波长分别进行了曲线拟合,如图10所示；图10(a)为1号传感器的温度标定曲线,线性度为0.99956,中心波长与温度之间的关系为:

λ=0.00926T+1539.88189

(7)

图10(b)为2号传感器的温度标定曲线,线性度为0.99977,中心波长与温度之间关系为:

λ=0.0096T+1540.58046

(8)

图10(c)为3号传感器的温度标定曲线,线性度为0.99824,中心波长与温度之间关系为:

λ=0.00947T+1549.82786

(9)

图10 温度传感器温度-波长变化曲线

根据标定数据结果表明这种封装形式的温度传感器具有良好的线性度,这3个温度传感器的温度灵敏系数分别为9.26 pm/ ℃、9.60 pm/ ℃、9.47 pm/ ℃,与裸光纤温度灵敏系数相接近。

4.3 振动试验

卫星在发射过程中会受到强烈的振动,为了保证传感器在发射过程中及后续工作正常进行,则自身必须具备足够的抗震能力。因此,对封装的新型结构温度传感器进行了相关的振动试验测试,试验现场如图11所示,光纤光栅温度传感器盘成圆环状,试验方向为圆环的轴向和径向,传感器解调仪振动方向为X、Y、Z三轴向。振动包括正弦振动和随机振动,正弦振动频率范围25～100 Hz,加速度15 g；随机振动频率范围100～600 Hz。

图11 振动试验现场图

试验结果表明传感器经过振动后,外观无裂纹、剥落等缺陷,经过高低温温度循环测试,依旧具有良好的重复性和线性度。

4.4 热真空试验

为了检验这种新型结构的温度传感器能否在太空环境下正常使用,对其进行了热真空试验来模拟太空环境进行温度监测,试验现场装置如图12所示,传感器和解调设备与之前使用的仪器设备保持不变。热真空箱设置20 ℃、40 ℃、60 ℃三个温度稳定点,每个点稳定1h,进行升降温温度循环试验。

图12 热真空试验现场图

试验结果表明,经过热真空温度标定,光纤光栅温度传感器的重复性、线性度、灵敏度与前期水浴槽温度标定结果基本一致。

5 结 论

本文设计了一种可应用于卫星内部环境温度监测、可去除应变影响的光纤光栅温度传感器。通过对传感器的结构进行优化设计,采用新颖的封装工艺,解决了温度、应变交叉敏感问题。

新型结构的光纤光栅温度传感器同一批选取3个进行了0～60 ℃范围内的温度特性标定。试验结果表明,这种新型结构的光纤光栅温度传感器具有良好的线性度、重复性和一致性。3个温度传感器的温度灵敏度系数依次为9.26 pm/℃、9.60 pm/℃、9.47 pm/℃,线性度均达到了0.998以上。可重复性为2 pm,精度为1 pm,温度分辨率达到了0.1 ℃。温度灵敏系数虽与裸光纤相接近,但其良好的重复性和线性拟合度、可靠的保护结构保证了在实际应用中温度测量的准确度。通过进行振动试验和热真空试验,结果表明温度传感器的温度特性依旧非常良好,非常适合用于卫星内部仪器设备的温度监测。这种新型结构已成功应用在某小型卫星温控系统加热片处的温度监测。

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