光纤布喇格光栅的低温传感特性研究

李博文，刘颖刚，宋小亚，傅海威，贾振安，高 宏

(西安石油大学 陕西省油气资源光纤探测工程研究中心,陕西省油气井测控技术重点实验室，陕西 西安710065)

0 引言

随着光纤制造产业的快速发展，光纤布喇格光栅(FBG)获得巨大发展，为FBG在光纤传感领域的研究和应用提供了广阔的空间[1-2]。与传统传感器相比，FBG具有体积小，质量小，抗电磁干扰及易集成等优点，在航空航天、医用医学、环境监测方面得到了广泛应用[3-5]。迄今为止，科研工作者已研制出基于FBG的用于温度、振动、流量、压力等单点式传感或分布式传感的光纤传感器[6-10]。

在众多物理量的传感测量应用中，基于FBG的温度传感器得到了研究者的特别关注，发展更迅速。因无涂覆的裸FBG在室温以上的温度灵敏度较低(通常在0.009～0.013 nm/℃)和较高的线性响应，研究者提出了如入膜片粘贴、温敏材料物封装等增敏方法，在保持线性响应特性的前提下提高FBG的温度响应灵敏度，拓展FBG的使用范围[11-12]。但是相关研究主要集中在室温以上的温度环境中，对室温，特别是0以下的FBG的研究相对较少。

任何材料的特性都会受环境温度影响。而FBG是通过改变光纤纤芯内部的折射率分布形成的特殊光学效应，在25～100 ℃时，纤芯材料的热光系数和热膨胀系数可被看成常量，导致反射波长随温度线性漂移。当环境温度低于0时，材料的热光系数和热膨胀系数会发生变化，线性漂移的特性和灵敏度大小是否会被改变，这对研究FBG的封装增敏技术非常重要，在实现高灵敏高线性度FBG的温度传感检测中具有重要意义。

实验是将2根未封装的FBG放入低温恒温槽，改变低温恒温槽设备的运行参数，研究了FBG在-60～25 ℃时的低温传感特性。实验结果表明，两个FBG的温度灵敏度分别为13.1 pm/℃和13.5 pm/℃，线性拟合度分别为0.999 4和0.999 0。在低温环境及室温以上，FBG具有相同的响应度和重复性，这将使FBG在食品冷藏、极端气温测量及化学试剂储存等低温传感领域的应用成为可能。

1 FBG的温度传感原理分析

对于均匀的FBG，当输入光波长满足布喇格条件时，这一特定波长发生反射，其余波长发生透射。因此，对特定波长进行反射的特性，其作用相当于光纤纤芯内部形成一种窄带滤波器。根据耦合模型理论[13-14]，FBG的中心波长为

λB=2neffΛ

(1)

式中：λB为FBG反射光的中心波长；neff为FBG纤芯的有效折射率；Λ为FBG的光栅周期。当外界被测量发生改变而引起neff和Λ变化时，都将导致λB发生改变。同样，FBG的λB变化也可以反映被测参量的变化情况。

当外界温度发生变化时，热光效应的存在会导致FBG的有效折射率发生变化。同时，热膨胀效应也会使FBG的光栅周期发生改变。此外，温度也会引起光纤内部热应力变化，这是弹光效应引起的，而弹光效应对FBG的温度灵敏度影响微弱，通常在分析FBG温度灵敏度时忽略其影响。因此，λB受到温度影响时，其偏移量为

ΔλB=2(neffΔΛ+ΛΔneff)=λB(α+ξ)ΔT

(2)

式中：α=ΔΛ/(ΛΔT)为热膨胀系数；ξ=Δneff/(neffΔT)为热光系数；ΔT为温度变化量。因此，FBG对温度的灵敏系数为

KT=ΔλB/ΔT=λB(α+ξ)

(3)

由式(3)可知，KT主要与其λB、α和ξ有关，而α、ξ与制作FBG的光纤材料有关。室温中，ξ=8.3×10-6/℃，α=0.55×10-6/℃，忽略其随温度变化的影响，认为λB随温度变化是一种线性的关系，对应的温度灵敏度可达13.71 pm/℃[15]。

若要讨论FBG漂移与温度的变化，就需对光纤材料的ξ和α进行深入研究。常用石英光纤的主要材料是二氧化硅(SiO2)，外加极少量的其他材料。因此，对石英光纤原材料的α和ξ进行分析，即可探究出FBG的α、ξ与温度的关系。

表1为几种不同的石英材料的热膨胀量与温度(T)的关系[16]。目前，石英光纤采用的石英材料是Spectrosil 1000，主要对该材料的热膨胀性进行了分析。

表1 不同的石英材料单位长度膨胀量与T的关系

表2为熔融SiO2折射率与T的关系[17]。熔融SiO2与石英光纤的温度特性相近，因而可以用来探讨石英光纤的热光特性。由α和ξ的定义可知，热膨胀系数为ΔL/(L×ΔT)，热光系数为Δn/(n×ΔT)(Δn/n为折射率相对变化量)。取n=1.455 9,T=0，绘制了石英材料ΔL/L、Δn/n与T的关系图，如图1、2所示。

表2 熔融SiO2折射率与T的关系

图1 石英材料ΔL/L与T的关系图

图2 石英材料Δn/n与T的关系图

由图1可知，在-60 ℃～室温(25 ℃)时，ΔL/(L×ΔT)的斜率先增大再减小，即在此温度范围的热膨胀系数先变大再减小。在-75～10 ℃时，热膨胀系数最大约为5.3×10-9/℃，最小约为1.2×10-9/℃。由图2可知，在-60 ℃～室温时，Δn/(n×ΔT)的斜率随温度的升高有微小的升高，基本与温度呈线性关系，即热光系数约为5.56×10-6/℃。比较热光系数和热膨胀系数可知，ΔT引起Δn/n的变化远高于ΔL/L的变化，两者相差3个数量级。此外，在-60 ℃～室温时，(α+ξ)的极差为4.1×10-9/℃。若以图2所得的热光系数为分母，则(α+ξ)的相对极差为0.073%。综上所述，热光系数随T变化的线性效应远强于热膨胀系数随T变化的非线性效应，所以无法改变(α+ξ)与T之间的线性关系。

在-60 ℃～室温时，由于热光效应占主导因素，热膨胀效应对光纤的非线性变化只会略微影响波长漂移与温度间的线性关系。因此，在-60 ℃～室温时，FBG的中心波长漂移与温度间的关系也是线性的。

2 实验结果及分析

FBG低温测试实验装置如图3所示。实验系统由SM125解调仪、笔记本电脑、超低温计量测定恒温槽(温度为-80～100 ℃，分辨率为±0.01 ℃)及2根FBG组成。其中，主要测试设备是超低温恒温槽，在进行低温实验时，超低温恒温槽中所加液体为无水乙醇，可实现从-80～25 ℃的降温或升温过程。本实验主要研究-60～25 ℃时FBG的温度特性。

图3 实验装置图

本实验所采用的FBG1、2均为康宁SMF-28光纤制造，其室温下中心波长分别为1 547.790 nm和1 547.775 nm。实验中，将FBG1、2放入超低温恒温槽中，对超低温恒温槽的运行参数进行设置，使温度在实验所需范围内变化。我们以每5 ℃为步长，记录下FBG1、2在不同温度下的光谱。

当温度变化时，FBG1、2的光谱变化如图4所示。由图可知，FBG1、2在降温和升温过程中均漂移稳定，降温过程向短波方向漂移，升温过程向长波方向漂移，且相同温度间隔漂移量无明显差异。

图4 FBG1、2随T变化的光谱变化图

图5为FBG1、2在升、降温过程中中心波长位置的变化。由图可见，在升、降温过程中，2个FBG均展现出良好的稳定性，波长漂移与温度间呈现出良好的线性关系，且2个FBG的重复性很好，升、降温过程中,同一温度中心波长位置的绝对差值小于0.035 nm。图6为FBG1、2的线性拟合图。由图6可知，降温过程中FBG1、2的温度灵敏度分别为13.1 pm/℃和13.5 pm/℃，其拟合曲线线性度分别高达0.999 4和0.999 0。本实验中FBG展现出良好的线性度，这也是对前文理论推断可靠性的验证。

图5 FBG1、2升、降温过程中中心波长的位置图

图6 FBG1、2的波长漂移线性拟合图

3 结束语

从FBG的理论和实际应用出发，深入探究其在-60～25 ℃时的低温传感特性。通过深入研究此范围内热膨胀系数和热光系数随温度的变化情况，得到此范围内FBG中心波长漂移与温度间呈线性关系，后经实验验证。此外，FBG在此范围内响应良好，重复性极佳。因此，此研究将在食品冷藏、极端气温测量及化学试剂储存等方面具有重要的意义。