一种高稳定性双端出纤型光纤光栅温度传感器

章奕 何少灵

（第七一五研究所，杭州，310023）

光纤光栅具有体积小、波长选择性好、抗腐蚀、抗干扰性能强等特点，在光纤传感领域受到越来越多的重视，被广泛应用于各类不同传感器设计。在工程应用中，光纤光栅温度传感器扮演着尤为重要的角色，不仅能测量环境温度，还常与其他传感器组合，提供温度补偿[1]，故光纤光栅温度传感器通常设计成双端出纤。为使该类型的传感器尽量不受环境应力影响，传统工艺在封装过程中将光纤光栅形成一定程度的拱起，保证在轴向具有一定程度的自由伸缩。但在光纤光栅温度传感器内部的有限空间内，无法保证所有光纤光栅拱起的余量满足在整个温度区间内的自由伸缩量。当温度升高时，光纤光栅逐渐被拉伸，拱起量减小，引起部分光纤光栅余量不足，不再处于自由状态，此时中心波长漂移不仅与自身的热膨胀和热光效应有关，还受到了芯轴膨胀对其拉伸造成的应力影响。故采用该工艺封装的光纤光栅温度传感器经常会出现某温度范围内线性度较差，导致测量精度较低。

本文对固定光纤光栅的结构进行改进，提出了一种光纤光栅在工作区间内保留足够的自由伸缩量的结构，从而确保光纤光栅始终处于自由状态，解决了传感器线性度较差的问题，显著提升了测量精度。

1 原理

光纤光栅温度传感器利用了光栅反射光信号的中心波长对温度的敏感特性，实现对温度变化的精确测量。由温度变化引起的热膨胀效应和热光效应会引Bragg 光纤光栅反射波长变化[2-5]。反射波长在变化的温度场中变化公式为

式中，BλΔ 为光栅中心反射波长的变化量，ΔT为温度的变化量，ζ为光纤的热光系数，α为光纤材料的热膨胀系数。

可见，光栅反射波长的变化量与温度的变化量在不受外界应力情况下有着良好的线性关系。因此，只有做到温度传感器中的光纤光栅始终不受外界应力影响，才能确保温度传感器具有较高的温度测量精度。

2 问题分析

图1 是传统双端出纤型光纤光栅温度传感器结构示意图。在一根不锈钢芯轴内自由放入光纤光栅，预先将其一端固定，然后对光纤光栅施加一定程度的拱起，再将其另一端用胶固定。将不锈钢芯轴塞入保护外壳内，以隔绝外界应力影响。光纤光栅两端尾纤分别用光纤护套和铠装护套进行保护。

图1 传统双端出纤型光纤光栅温度传感器结构示意图

图2、3 分别是光纤光栅在绷直状态以及传统结构件内拱起后的理论长度，分别是70 mm和70.49 mm。传统工艺封装的温度传感器内部光纤光栅仅有0.49 mm 的冗余量。

图2 光纤光栅绷直状态长度理论值

图3 光纤光栅在传统工艺结构件内拱起长度理论值

实验中，对一批该类型的光纤光栅温度传感器在水槽中进行温度性能测试，并将传感器的波长值与参考温度进行数据拟合。有部分光纤光栅温度传感器线性度较差，且随着温度的升高，温度灵敏度逐渐增大，如图4 所示，导致在测温区间内，传感器温度线性度较差，从而影响了传感器的测温精度，经计算测温误差达到3.83 ℃，如表1 所示，无法进行工程应用。

图4 问题光纤光栅温度传感器温度系数测试结果

表1 问题光纤光栅温度传感器测试精度

在参试的72 个实验样品中，出现了11 个线性度较差的传感器。对存在问题的传感器进行解剖，发现在温度较低环境下，问题传感器的光纤光栅处于弯曲状态，但当温度较高时，光纤光栅逐渐被拉伸，拱起量减小很多。在5～65 ℃的温度范围内，长70 mm 的不锈钢材质的芯轴总伸缩量约为0.1 mm[6]，尽管理论上传统工艺封装的光纤光栅具有一定的冗余量，但因为冗余量较少，且封装过程中，受工艺控制一致性所限，光纤光栅拱起高度不同、光纤胶粘处松动以及光纤受到外力拉扯等原因导致光纤光栅的拱起量存在一定程度的偏差，使得部分传感器的拱起量未能达到设计要求，所以无法保证所有光纤光栅在温度测量区间内完全处于自由状态，易受芯轴膨胀导致的应力影响，从而光纤光栅的中心波长漂移也受到了芯轴膨胀对其拉伸造成的应力影响。由于芯轴的材料为不锈钢，其热膨胀系数远大于光纤光栅，所以导致了光纤光栅在温度较高时，其温度灵敏度逐渐增大、线性度较差的现象。

3 结构改进设计

3.1 结构改进

为使光栅在温度较高时仍不受芯轴膨胀的影响，应在传感器保护外壳内部的有限空间内，尽量增加光栅的拱起量。为此，对芯轴进行改进设计，在其内部沿径向对称塞入四根销钉，将光纤光栅以波浪型曲线穿过销钉。当光纤光栅尾纤与芯轴固定后，将销钉除去，并套上保护外壳，此时光纤光栅将以自由的弯曲状态限位于保护外壳内，如图5。由于光纤光栅在销钉除去前历经多道弯曲，其相对于绷直状态的冗余量大大增加。

图5 光纤光栅温度传感器新结构示意图

图6 是光纤光栅在新结构件内自由状态长度的理论值，达72.79 mm，是芯轴伸缩量的27 倍多。且光纤光栅在该状态下弯曲损耗实测不超过1 dB，保证了光信号低损耗传输。可见，采用新结构封装后，可充分保证光纤光栅在5～65 ℃温度区间内始终处于自由状态，从而确保其反射波长与温度之间的线性关系。

图6 光纤光栅在新结构件内自由状态长度理论值

3.2 实验结果与讨论

为了验证新结构封装后的效果，对30 个该类型的温度传感器进行了相同的温度性能测试。图7是新结构光纤光栅温度传感器测试结果，在5～65 ℃温度测试区间内，传感器线性度较好，温度上行和下行重复性良好，没有再出现随着温度升高温度系数逐渐增大的现象，测温误差仅0.1 ℃，如表2 所示。

表2 新工艺结构光纤光栅温度传感器测试精度

图7 新结构光纤光栅温度传感器温度系数测试

4 结论

本文通过对传感器内部固定光纤光栅的芯轴进行优化设计，解决了因传统双端出纤的光纤光栅温度传感器内光纤余量不足导致的温度线性度差，测温精度低的问题，大大提升了双端出纤型光纤光栅温度传感器的稳定性。该传感器结构简单，封装成品率高，适于大批量生产，且传感器双端出纤，易于多个传感器复用，可实现准分布式温度测量，同时可为其他传感器提供温度补偿，适合应用于建筑、隧道、桥梁、消防等温度测量领域。