基于光纤光栅传感器快速测温特性的研究

王 瑨 何 昕 王艳凤 王永杰

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；2.中国科学院半导体研究所，北京 100083）

海水温度是海洋环境调查中一个最基本的物理量，其对海洋生态、军事以及渔业发展具有重要的研究意义。因海洋环境的特殊性，获取这一参数面临一系列的问题[1]。若想提高整个测温系统的精度，就要求所选用的测温传感器具有较高的灵敏度和较小的时间常数[2]。在传统的海水温度测量中，热敏电阻和铂电阻由于其较高的测试精度和连续测量的特性得到了工程师和科学家的一致青睐。但是，铂电阻的时间常数是十几秒[3]，热敏电阻虽可实现毫秒级别，但其在测试过程中电流会很大且出现很难控制的现象[4]。比较光纤传感器和电学传感器，前者在实际应用中表现出灵敏度高、体积小、多参数敏感、抗腐蚀、本征绝缘、光路可弯曲、易复用和便于遥测等优势[5-6]。同时，已有报道的FBG温度传感器的时间常数可达到几秒[7]。先进国家的海洋环境测温传感器的时间常数可达到60~70 ms, 而我国也有方案可实现毫秒级别[8-10]，但大部分仍停留在1000 ms左右。文中所介绍的FBG温度传感器采用特殊封装结构，温度灵敏度可达27.21 pm/℃,响应时间可达67.5 ms。同时, 因FBG特有的传感优势，其将在海洋快速测温领域中发挥重要作用。

1. 光纤布拉格光栅传感原理

光纤布拉格光栅基于光纤的光敏性原理，制作时通过紫外光照射使纤芯的折射率发生周期性改变，进而在纤芯内部形成空间相位光栅。因此，它是一种纤芯折射率沿其轴向周期性分布的光纤，本质上可认为FBG是一种能够进行波长选择的窄带反射器，结构如图1所示。

图1 光纤Bragg光栅结构

由光纤光栅耦合模理论可知，光纤布拉格光栅将入射基模与反向透射基模耦合，得到光纤光栅波长选择性反射函数[11]，基本方程为:

由上式可知，光纤光栅中心波长 取决于栅区纤芯的有效折射率 和周期。

当有光纤光栅满足上述公式时，光就会被反射，反射光的波长可由光谱仪或解调仪测得，这样就能知道FBG中心波长的变化。

1.1 温度和应力传感原理

当外界参量如温度、应力等发生变化时，光纤光栅的中心波长也会相应发生线性化漂移。通过对中心波长变化的测量，便可达到对外界温度、应力等环境参数的测量，如公式（2）。

裸光纤布拉格光栅的温度灵敏度系数为10 pm/℃,应变系数为1.2 pm/μ ε。裸光纤光栅的直径仅为125μ m,在实际恶劣的工程应用中极易损伤，必须对其进行保护性和增敏性封装，才能够保证其表现出更稳定更可靠的传感性能，也才能够延长其使用寿命。

1.2 温度和应力交叉敏感

光纤布拉格光栅感受作用在其上的温度和应力时,中心波长都会发生线性漂移，因此,存在温度和应力交叉敏感的问题。当布拉格光栅用于实际环境测量时，必须采取措施进行补偿或者区分，这就严重限制了Bragg光栅的广泛使用，在很多研究报告中也给出了相应的解决方案。

本研究采用一种特殊的封装结构，可较好地解决应力对温度测量的影响，因此，仅需考虑温度单独作用时中心波长的变化。文中采用填充特殊材料和特殊结构对FBG进行增敏封装，通过这一材料较大的热膨胀作用，进而提高光纤布拉格光栅的温度灵敏度。此时，传感器的温度和波长之间的关系满足公式(3)[11]。

其中, 为封袋基底的热膨胀系数, 为传感器的温度。

2. 传感器设计与分析

2.1 传感器封装结构

裸露的光纤光栅十分脆弱，而且灵敏度很低，必须辅助以一定的封装结构才能投入生产和应用。常用的封装形式主要有片封装、管封装和盒封装三类，金属管封装方式因其具有结构小巧、导热快、布设方便等优点而备受青睐[12-15]。考虑到海洋环境应用需要密封和小型化处理，本方案选择金属管封装方式。首先，将光纤光栅在加持预应力的情况下固定于金属管，并将光纤两端与金属管接触位置处留置余量以缓冲压力。然后，采用特殊方法将管内注满高导热填充物，具体结构和实物如图2所示。

图2 FBG封装简图和实物照片

当外界温度改变时，温度变化能够同时传递到光纤光栅和金属管上。由前面分析可知，温度变化会引起光纤光栅中心波长的偏移。由于金属管热膨胀系数大于石英光纤，在热胀冷缩效应的影响下，金属管在膨胀或收缩的过程中固定于其上的光纤光栅也会在外界应力的作用下拉伸或收缩，导致其中心波长发生偏移。在此结构下，光纤光栅和金属管受温度变化影响应力的传递作用导致的中心波长偏移方向是一致的，从而达到增敏的效果。而外层金属管的另一个作用是隔绝外界应变和压力的影响，使得外界压力和应力作用不到光纤光栅上，从而达到单一温度测量的目的。

在此方案中，经过特殊处理，金属管、光纤和填充物浑然一体。因所选用的金属管热膨胀系数较大，若其受热膨胀，FBG必然会受到一定的拉应力，这必将引起中心波长发生偏移，进而达到提高温度灵敏度的目的。为了防止聚合物长时间使用而出现老化，在此采用一种特殊的高导热材料进行填充，而且也起到了良好的增敏作用。

从另一方面考虑，这一金属层即一种传热介质，则其不但能够耐压，而且也必须具有较快的传热速率。因此，这一金属管封装结构的存在给FBG在海洋环境中的应用带来了两个互相牵制的难题：强度和传热速率。较高的抗压强度就需要使用管壁较厚的金属材料，这在一定程度上降低了传热速率；但较快的传热速率势必需要采用管壁较薄的金属材料，这又将会在一定程度上影响封装强度。在此，选择特殊材料和特殊封装结构，使FBG温度传感器不仅具有较高的封装强度，还具有毫秒级别的时间常数。因此，在材料选取时开展了大量工作。

考虑FBG对于温度和应力同时敏感，封装时将金属管两端的光纤置于松弛状态，这一特殊的设计使得其对于外界应力的变化具有一定的缓冲作用[7,16]，因此，光纤光栅受到外界应力的影响很小。在本研究中，我们不仅有效地防止了光纤光栅啁啾，而且消除了压力的影响，提高了温度灵敏度和响应速度。

2.2 传感器温度灵敏度计算分析

经过此种封装设计后，FBG的热光系数并未发生改变，但热膨胀系数却表现出比较明显的不同。此种封装结构的FBG的温度灵敏度满足公式(4), 其中各参数取值见表1, 其温度灵敏度的计算值为27.21 pm/℃。

表1 温度灵敏度有关参数

3. 试验测试

3.1 温度灵敏度测试

图3 FBG温度灵敏度测试装置

使用恒温水浴槽进行温度灵敏度测试试验，如图3所示。该测试依据GB/T23246—2009进行，其中参考标准传感器选用SBE56(Sea Bird Electronics,SBE)。波长—温度曲线如图4所示，经过一次线性拟合，其线性度为0.9999，温度灵敏度为32.1 pm/℃，接近上述理论值。

图4 FBG波长—温度测试曲线

3.2 响应时间测试

测试试验装置如图5所示。将FBG迅速从冷水放入热水中，同时，高速解调仪实时监测其温度变化趋势，重复多次试验，完成测试软件截屏，试验数据分析如图6所示。查询相关技术文献可知，此类传感器的响应时间即为其经历温度快速变化之后达到稳定温度所需时间的63.2%[8]。筛选大量测试数据发现，采用这一结构的FBG的响应时间可达67.5 ms。

图6 FBG响应时间测试曲线

4. 结论

文中介绍了光纤布拉格光栅传感器的传感原理和封装技术，描述了关于灵敏度和响应时间的计算及测试。此种光纤光栅温度传感器的快速测温特性优于传统电学传感器和一般FBG传感器，并且具有较高的温度灵敏度。通过有效的封装技术，解决了FBG温度和压力的交叉灵敏度问题，在此基础上进一步提高传感器的灵敏度，缩短响应时间，以保证能够有效、准确、及时地获取海洋环境监测数据，这将为海洋剖面快速测温传感器的研制和发展提供一种新的思路。