海洋双光纤光栅压力传感器的温度响应特性*

张登攀， 秦 钢,， 王永杰， 王 力， 安 佳， 彭丹丹

(1.河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454000；2.中国科学院 半导体研究所 传感技术联合国家重点实验室，北京 100083)

0 引 言

海水温深是海洋环境监测中重要的参数[1]，获取该参数常受环境因素变化的影响，要想获得海水中各种冷水团及中尺度旋涡的温深剖面信息[2]，传统使用的投弃式温度剖面测量仪XBT，由于其传感探头存在漏水漏电的风险[3]，深度数据也容易受海底浪流和温度变化的影响，计算误差较大[4]。而船载拖曳式光纤光栅传感器具有抗干扰能力强、灵敏度高、体积小、本征绝缘及连续测量和多传感分布式测量等优点[5]，能够准确、细致刻画冷水团及中尺度旋涡的温深剖面信息，适合在海洋环境中的应用。

2016年7月，课题组在北黄海区域进行了光纤布拉格光栅(fiber Bragg fiber,FBG)压力和温度传感器拖曳试验研究，并完成FBG压力传感器和参考压力传感器亚力克(ALEC)的比对测试。通过数据的拟合处理，结果发现：当在中尺度旋涡、锋面等温度骤变海域温度突然发生变化时，FBG压力传感器与参考压力传感器ALEC的测量偏差会立即增大，而当温度变化不明显时，却无上述现象。分析原因是由于FBG压力传感器和FBG温度传感器对温度的响应时间不一致，导致FBG压力传感器测量误差的产生[6]。

针对传感器对温度响应不一致的问题，本文主要从3个方面进行研究：1)设计出一种新型的双光纤光栅压力传感器，把温补和压力光纤光栅平行封装在传感器边缘和中心位置，使它们受到温度影响一致；2)将封装好的传感器进行温度和压力灵敏度标定，便于确定传感器温度补偿后的压力系数；3)在实验室内对传感器进行温度响应时间测试，并通过海试验证，使其与参考压力传感器ALEC进行比测，来验证其温度响应是否一致。

1 传感器的设计和封装

为了满足高灵敏度、耐水压和响应特性等相关要求，新型双FBG压力传感器采用膜片式的结构增敏技术。相比传统封装方法，存在稳定性欠佳、不适合动态测量、高温容易老化及不易串接等缺点[7，8]，膜片式封装在大量程和高灵敏度实现上有着良好效果，可以用于动态拖曳测量。双FBG压力传感器上采用金属化处理后的光纤光栅，利用激光焊接将它们并行焊接在膜片中心位置和边缘位置上(温补光纤光栅不接触膜片，只焊接在基座上)。图1是FBG压力传感器的示意图和实物图。

图1 光纤光栅传感器示意与实物

2 理论计算

经过特殊的封装，FBG压力传感器的热光系数并没有发生变化，其热膨胀导致应力发生了变化。封装之后温度和波长的关系为

ΔλB=λB[α+ξ+(1-Pe)(αsub-α)]ΔT

(1)

而FBG压力传感器将水压变化量转换为FBG轴向应变，通过检测相应的波长变化，还原海水压强信号的信息。FBG谐振波长的改变与光纤轴向应变εf的关系为[11]

Δλ=(1-Pe)λBεf

(2)

式中λB为谐振波长，Pe为光纤的弹光系数。

假设不破坏其中热平衡，膜片式圆筒封装的传感器其管壁的温度分布均匀，温度对时间的微分方程为[10]

(3)

式中Tf为环境温度，T为金属管壁温度，Γ为水与金属表面的换热系数，A为金属膜片管的表面积，ρ，cp，V分别为金属外壳管的密度、比热容和体积。

3 实验测试

3.1 传感器温度测试

如图2所示是温度标定的实验装置示意图。

图2 FBG传感器实验装置

为确定FBG压力传感器对温度的敏感程度，对封装好的传感器进行温度灵敏度标定。标定是在恒温水浴槽内进行，通过选用SBE56来作为参考温度传感器。在2～35 ℃区间上选择8个温度点，并确定每个温度点上的稳定时间不低于1 h，取各个稳定温度点2 min的平均数，来确定温度和波长变化的对应关系，通过用Origin数据处理软件的二次拟合得到图3，其双FBG压力传感器的温补和压力光纤光栅温度灵敏度分别为29.11,28.80 pm/℃，拟合线性度R2均为0.999 99。

图3 温度—波长二次拟合曲线

3.2 传感器压力测试

3.2.1 传感器温补光纤光栅耐压测试

为了验证传感器温补光纤光栅的中心波长是否受到外界压力的影响，在实验室对传感器进行压力标定测试。实验中,使用压力罐进行压力标定，SBE56温度传感器作为参考温度，共选取9个压力点分别进行加压和减压测试，压力范围0～0.8 MPa，每次升高0.1 MPa。

可以看出:去掉温度变化的影响后，传感器的温补光纤光栅在0～0.8 MPa的压力范围内，其中心波长仅漂移了0.01 pm，而温补传感光纤光栅不在膜片上，是由于参考传感器SBE56的测量误差才造成的，确定温补光纤光栅不受外界压力的影响。对2只传感器的温度补偿光纤进行耐压测试，如图4所示。

图4 压力传感器中温度补偿光纤光栅的耐压测试

3.2.2 传感器压力标定测试

由于传感器的压力和温补光纤光栅都并行封装在传感器上，在不受压力的情况下，它们的中心波长受温度影响变化量是一致的。因此，当受外界压力时，传感器可以通过自身的温补光纤光栅中心波长变化量，来对压力光纤光栅进行温度补偿。

为了确定压力传感器灵敏度，即所测压力值与温补过的压力光纤光栅中心波长的对应关系，需要进行压力标定测试，加压过程和上述一样。通过Origin数据处理软件拟合得到图5，结果表明：灵敏度达959.017 pm/MPa，其线性拟合度R2为0.999 9，重复性好，适用于较高海水压力测量。

图5 FBG压力传感器的波长—压力二次拟合曲线

一般用于海洋测试的FBG压力传感器，1 MPa对应海水深度大约为100 m。当FBG压力传感器没有进行温度补偿时，其环境温度每变化1℃，其自身波长漂移量为28.80 pm， FBG压力传感器灵敏度为959 pm/MPa，相应压力变化为0.030 MPa，深度误差可达到3.0 m。因此，在压力测量过程中，为减小测量误差，对FBG压力传感器进行实时准确温度补偿是极其必要的，解决响应时间不一致问题则是本文主要研究目的。

3.3 传感器温度响应时间测试

将FBG压力及其温补传感器从冷水槽迅速移至高温水浴槽，通过温度解调仪来实时监测其温度变化量。根据温度传感器动态响应校准的方法，响应时间即达到稳定温度所需时间的63.2 %。如图6所示，传感器的温补光纤的响应时间为1.45 s，而压力光纤的响应时间为1.52 s,它们之间响应时间差为0.07 s,基本接近一致。表明：新设计的双光纤光栅压力传感器的温度响应特性良好，基本消除了传感器响应不一致而带来传感器测量误差的影响。

图6 FBG压力传感器温度响应时间

4 海试验证

在2017年7月，在黄海海域进行拖曳实验后，通过Original数据处理软件得到图7，传感器的温补光纤光栅和压力光纤光栅对温度响应时间一致，即使在温度突然变化情况下，也能实时准确为FBG压力传感器进行温度补偿，温度响应不一致带来测量误差影响已经基本消除，传感器和ALEC之间相关性系数高达0.990 6。

图7 FBG压力传感器和ALEC的数据曲线

5 结 论

本文针对FBG压力及其温补传感器的温度响应不一致问题进行了研究。通过新设计封装的双光纤光栅压力传感器，使温度响应时间接近一致。先对传感器进行温度和压力灵敏度进行标定，确定传感器温度补偿后的压力系数。经过响应时间测试，传感器的温补光纤光栅和压力光纤光栅对温度响应时间分别为1.45 s和1.52 s。通过海试验证，传感器对温度动态响应特性良好，基本消除压力传感器的应变—温度交叉敏感问题所带来影响。满足海洋温深剖面测量的要求，对于海洋环境的研究有着重要意义。