超短FBG的高灵敏度温度传感器

吴 昊,张 洋,王 帅,刘瀚霖,辛璟焘

(1.北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室,北京 100192；2.北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室,北京 100016；3.中国建筑材料科学研究总院有限公司 绿色建筑材料国家重点实验室,北京 100024;4.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽 合肥 230009)

1 引 言

光纤布拉格光栅(FBG)传感器具有体积小、抗电磁干扰能力强、重量轻、信号传输距离远等诸多优点[1-2],可用于应变、温度、位移、和加速度等物理量的测量[3-6]。光纤光栅传感器在航空航天、道路桥梁、石油电力、安全监测等[7-8]诸多领域具有重要的应用。

在国防、民用、军事等领域,人造地球卫星发挥着重要的作用。由于地球轨道空间环境的复杂性,卫星表面的温度影响着其运行和正常工作,对其表面温度的测量和控制是一项重要的工作。对高性能卫星表面温度的测量来说,其测量精度需达到±0.1 ℃,分辨率达到0.01 ℃。

传统的热敏型测温元件可以实现对卫星温度的实时监测,但其抗电磁干扰能力差、耐辐射特性差,因此限制了其在卫星上的长期稳定使用。基于光纤光栅的新型高精度温度传感器是近些年来的研究热点。光纤光栅因其具有抗电磁干扰能力强、体积小、耐辐照等特点[9],正在成为空间飞行器结构健康监测[10]的一个重要研究方向。提高传感器的解调精度和传感器的灵敏度是提高温度测量精度和分辨率的有效技术手段。因此,研究微型高精度、高灵敏度系数的FBG温度传感器具有重要的研究价值。

目前,主要的光纤光栅温度传感器增敏方法主要有表面镀覆法、粘合法和双金属增敏结构。镀覆法是在光纤表面镀上一层热膨胀系数较大的镀覆层来提高传感器的温度灵敏度系数。华东理工大学的齐一华[11]等人研究了Ag-Ni双金属镀层和Ti-Ag-Ni三层金属镀层对光纤布拉格光栅传感器高温传感特性,实验得到Ag-Ni双金属镀层光纤布拉格光栅的温度灵敏度系数为29.54 pm/℃,Ti-Ag-Ni三层金属镀层光纤光栅的温度灵敏度系数为30.32 pm/℃。南京邮电大学的魏昊文[12]等人使用硅橡胶、环氧树胶和PDMS胶分别对FBG进行有机涂覆,对三种涂覆光纤光栅在25 ℃～50 ℃的温度下进行实验研究,得到的温度灵敏度系数分别为17 pm/℃,27 pm/℃和86 pm/℃。

粘合法是通过把光纤光栅粘贴或者封装在热膨胀系数大的材料中实现温度增敏。西安石油大学的禹大宽[13]等人将FBG封装在铍青铜基底材料上,制作的温度传感器在20～200 ℃范围内温度灵敏度系数为31.5 pm/℃。詹亚歌[14]等人设计了一种用铝槽封装光纤光栅的结构,其温度灵敏度系数达到了39.8 pm/℃。姜明月[15]等人设计了一种以不锈钢管为基底封装材料的小尺寸光纤光栅温度传感器,对传感器在-20 ℃～50 ℃区间的温度进行测试结果表明金属基底封装的光纤光栅温度传感器的灵敏度达到28.6 pm/℃。

为了进一步提高温度测量灵敏度,设计了双金属增敏结构,其由两种热膨胀系数不同的金属构成,热膨胀效应引起的基底的长度变化通过热膨胀系数小的传递梁传递给FBG,实现温度测量的增敏效果。李阔[16-17]等人设计了一种双金属光纤光栅温度传感器,得到传感器的精度为±0.05 ℃,温度灵敏度系数为520 pm/℃；为了实现高的增敏系数,他们将基底的长度提高到360 mm。马晓川[18]等人制作了一种双金属温度传感器,温度的灵敏度系数达到了352.9 pm/℃,其传感器的尺寸较大,为245 mm。

本文通过理论分析了应变传递梁的长度变化、应变传递梁的材料变化、基底的长度变化和基底的材料变化对增敏结构光纤光栅温度传感器温度灵敏度系数的影响,在此基础上设计了一种高灵敏度、小尺寸的光纤光栅温度传感器。首先通过准分子激光器写制了1 mm超短光纤光栅,并将其作为敏感元件,然后采用导热快、热膨胀系数大的铝材料作为基底和热膨胀系数小的殷钢材料作为应变传递梁组成双金属结构,完成了传感器的小型化封装；传感器整体长度为30 mm,宽度为6 mm,高度为3 mm。实验结果表明,传感器灵敏度系数高达292.59 pm/℃、分辨率优于0.004 ℃、具有高精度、高重复性、高分辨率的特点。

2 传感器的设计

结构增敏光纤光栅温度传感器增敏的原理是利用光纤光栅(FBG)对温度和应变同时灵敏的特性,把FBG和高热膨胀系数的材料封装到一起,当温度变化时,将高热膨胀系数材料的热形变转换为FBG的弹性应变,使得FBG波长变化量增加。本文使用双金属结构,对FBG进行温度灵敏度增敏,增敏结构如图1所示。

图1 高灵敏度温度传感器结构示意图Fig.1 Structure diagram of high sensitivity temperature sensor

当温度发生变化时,基底与应变传递梁的长度均发生变化。由于它们的热膨胀系数不同,它们的长度变化量不同,它们的差值传递给了FBG。当FBG的长度发生改变时,其布拉格波长会随之发生变化。FBG的应变量越大,布拉格波长漂移量也就越大。因此,可以通过调整基底和应变传递梁的长度以及选用不同材料组合的来控制FBG的应变量。

令α1为基底的热膨胀系数,α2为应变传递梁的热膨胀系数,L1为基底材料金属上的两个固定点之间的长度,L2为传感光纤的长度。当温度变化ΔT时,基底部分长度变化量为α1L1ΔT,应变传递梁长度变化量为α2(L1-L2)ΔT,增敏结构中,光纤长度的变化量为ΔL=α1L1ΔT-α2(L1-L2)ΔT。采用两点式将FBG封装于应变传递梁上。当温度变化时,FBG的波长变化由两部分组成,热效应导致的波长变化和由结构热膨胀导致的弹性应变引起的波长变化,可表示为:

(1)

其中,Pe为光纤弹光系数；ξf为光纤热光系数,光纤热膨胀引起的波长漂移综合入光纤光栅的应变。若由于结构热膨胀引起的应变全部传递到光纤上,则温度变化引起FBG的应变可以表示为:

(2)

相应的光纤光栅温度灵敏度系数为:

(3)

将式(1)、(2)代入式(3)中,可以得到,结构增敏的温度灵敏度系数可表示为:

(4)

由公式(4)可以看出,温度灵敏系数的大小与基底长度、应变传递梁长度、基底的热膨胀系数和应变传递梁的热膨胀系数的有关。为了更加直观的分析温度增敏系数与基底长度、应变传递梁长度和热膨胀系数的相互关系。设定如下几种材料进行数值计算和绘制关系曲线。20 ℃时,铝的热膨胀系数为23.9×10-6/℃,铜的热膨胀系数为17.5×10-6/℃,铁的热膨胀系数为12.2×10-6/℃,殷钢的热膨胀系数为1×10-6/℃,石英的热膨胀系数为0.55×10-6/℃,玻璃的热膨胀系数为4×10-6/℃。

当基底选用热膨胀系数较大的材料,应变传递梁选用热膨胀系数较低的材料时,温度灵敏度系数与L1/L2的关系曲线如图2所示。

图2 温度灵敏度系数与L1/L2的曲线关系Fig.2 Relationship between temperature sensitivity coefficient and L1/L2

当基底选用热膨胀系数较高的材料,应变传递梁选用热膨胀系数较低的材料时,温度灵敏度与L1/L2的曲线关系如图3(a)所示,图3(a)中B部分扩大图如图3(b)所示。

图3 温度灵敏度系数与L1/L2的曲线关系及图中B部分的放大图Fig.3 Relationship between temperature sensitivity coefficientand L1/L2 and Enlarged view of Part B of the figure

根据式(4)及图2和图3进行,可以分析得到:

(1)如图2和图3所示,温度灵敏度的大小与L1/L2为线性关系。

(2)如图3所示,当基底选用低热膨胀系数材料、应变传递梁选用高热膨胀系数材料时,当温度升高时,双金属结构对光纤光栅处于压缩状态,光纤光栅本身处于膨胀拉伸状态。当L1/L2的值较小时,光纤光栅的膨胀处于主导地位,因此温度灵敏度系数为正；当L1/L2的值较大时,双金属结构对光纤光栅处于压缩处于主导地位,因此温度灵敏度系数为负；当两者相等时,此时设计的温度灵敏度系数为0；对于双金属结构分别为殷钢/铝、殷钢/铁、殷钢/铜、玻璃/铝结构时,当L1/L2=1.42、1.63、1.58、1.85时,双金属结构的温度灵敏度系数为0；温度灵敏度系数为零无法进行温度的测量,但是这种结构可用于温度不敏感器件的封装,如基于光纤光栅的波分复用元器件和光纤激光器反射镜。

(3)如图2所示,当基底选用高热膨胀系数材料、应变传递梁选用低热膨胀系数材料时,当温度升高时,双金属结构对光纤光栅处于拉伸状态,在加上光纤光栅本身处于拉伸状态,可以加大温度传感器的灵敏度系数。本文将选择高热膨胀系数材料作为基底,低热膨胀系数材料作为应变传递梁进行实验。

由图2可以看出所用基底与应变传递梁热膨胀系数差值越大、L1/L2越大,温度灵敏度系数越大,因此采用铝和殷钢组合。为平衡微型化、增敏系数,选取L1/L2为15。

3 传感器的制作

超短光纤光栅(Ultra-short Fiber Bragg grating,US-FBG)作为光纤光栅的一种,其制备方法与普通均匀光纤光栅类似,通过在相位掩模板之前放置可调光阑并且通过调整光阑大小实现光纤光栅的长度控制。

超短FBG的光栅栅区长度短,反射率会比较低。为了获得高反射率的超短光纤光栅,本实验将高掺锗的OFS光纤进行低温高压载氢增敏处理后,采用准分子激光和相位掩模板刻写超短光纤光栅。本实验中使用的超短光纤光栅光谱如图4所示。可以看出,光纤光栅的峰值反射率约为40 %,3 dB带宽约为1.3 nm,采用高斯函数切趾,实现了边模抑制比约为25 dB。

图4 超短光纤光栅光谱图Fig.4 Ultra-short FBG spectrum

本实验制作的微型高灵敏度FBG温度传感器的结构及实物如图5所示。双金属结构的光纤光栅温度传感器是通过增大光纤光栅随温度的应变变化量来提高其温度灵敏度系数。实验采用E-120 HP环氧树脂粘合剂进行基底和应变传递梁的固定,以及使用两点式封装将光纤光栅固定在应变传递梁上。基底的长度为30 mm,传感光纤的长度为2 mm,光栅位于传感光纤的中心。理论计算的增敏结构的温度灵敏度系数为426.839 pm/℃。

图5 微型高灵敏度FBG温度传感器结构及实物图Fig.5 Structure and structure of FBG temperaturesensor with high sensitivity and Physical picture

4 传感器的标定与测试

为了对比分析,在测试双金属结构时,实验中添加了3个光纤光栅传感器的温度测试。分别为两个表贴在殷钢、铝材料上的光纤光栅温度传感器(其中心波长分别为1542 nm、1537 nm)和一根中心波长为1533 nm的裸光纤光栅。双金属增敏结构温度传感器中光栅的中心波长为1555 nm。将该四种光纤光栅温度传感器放于FLUKE 7381深井台式恒温槽中。将传感器与解调仪相连接,通过上位机将解调仪获取的数据传输至电脑终端。实验装置如图6所示。

图6 温度测试实验装置Fig.6 Experimental device for temperature measurement

实验中,在20～40 ℃内,从20 ℃开始,每隔2 ℃设置一个间隔点,共计11个点。对四个温度传感器进行温度灵敏度实验,实验采用恒温水浴法,进行持续试验,每个间隔点,设置时长20 min。每个温度间隔点的波长值是对应的波长数据短时间内的平均值,以此作为每个温度间隔点的稳定值。

为了研究微型高灵敏度FBG温度传感器的温度传感长期稳定性和可靠性,在20～40 ℃内设置了20 ℃、30 ℃和40 ℃三个间隔点,对微型高灵敏度FBG温度传感器进行了温度循环实验,实验采用了恒温水浴法,进行持续试验,每个温度间隔点设置稳定时长20 min,共完成6次重复度温度测试。

5 实验结果与分析

通过水浴池调节温度在20～40 ℃进行标定,通过数据分析,裸光纤光栅温度-波长测试数据的线性拟合结果为:y=0.011145x+1533.3,获得的裸光纤光栅的灵敏度系数为11.15 pm/℃,如图7所示；贴于殷钢材料上的光纤光栅温度-波长测试数据线性拟合结果为:y=0.01665x+1537.13341,如图8所示；贴于铝材料上的光纤光栅温度-波长测试数据线性拟合结果为:y=0.04193x+1542.6,图9所示；金属结构增敏微型FBG温度传感器温度-波长数据的线性拟合结果为:y=0.29259x+1546.40595,其温度传感器的灵敏度系数为292.59 pm/℃,其实验数据的线性拟合如图10所示。与传感器理论灵敏度426.839 pm/℃,存在较大误差。经过分析其产生误差的主要原因是传感光纤的有效程度是大于2 mm的理论值。造成这一点的原因有两点:(1)两个点胶端点的距离大于传递梁豁口的长度；(2)环氧胶的杨氏模量较小,应变传递效率小于100 %,因此传感光纤的有效长度大于2 mm,接近3 mm。

图7 裸FBG温度传感器温度响应特性Fig.7 Temperature response characteristicsof bare FBG temperature sensor

图8 殷钢结构FBG温度传感器温度响应特性Fig.8 Temperature response characteristics ofFBG temperature sensor with invar structure

图9 铝结构FBG温度传感器温度响应特性Fig.9 Temperature response characteristics ofFBG temperature sensor with aluminum structure

图10 金属结构增敏微型高灵敏度FBG温度传感器温度响应特性Fig.10 Temperature response characteristics ofmetal structure sensitized FBG temperature sensor

由图7至图10可以看出:1.四个传感器线性拟合均为线性关系；2.贴于铝材料表面、殷钢表面材料以及裸FBG三个传感器的测量点在拟合曲线的两侧分布,设计的微型高灵敏度FBG温度传感器的测量点均在拟合曲线上。由于测试使用的解调仪的精度为10 pm,因此当传感器温度灵敏度系数较低的时,其测量值在拟合曲线附近的涨落明显。当传感器温度灵敏度系数很高时,10 pm的涨落无法在拟合曲线附近观察到。一方面说明微型高灵敏度FBG温度传感器的传感精度高于其余三个温度传感器；另一方面说明高增敏可以克服解调仪的解调误差。

对增敏微型温度传感器进行的长期稳定性和可靠性分析,实验获取的实验数据如图11所示,循环试验进行了8.7 h。

实验中微型高灵敏度FBG温度传感器在每个温度固定间隔定点的波长值是对应的波长数据短时间内的平均值,以此作为每个温度间隔点的稳定值。以温度间隔点循环次数为横坐标,每次达到间隔点对应的波长稳定值为纵坐标,测试数据结果如图11(a)所示。以相同温度下,求取每次循环温度稳定后,对应温度间隔点的各波长稳定值的平均值。再求各个稳定值与平均值对应的波长差,以温度循环次数为横坐标,每次达到稳定点对应的稳定值与平均值的差值为纵坐标作图,如图11(b)所示。由图11(b)可以看出,微型高灵敏度FBG温度传感器的重复偏差不超过±8 pm,该偏差对温度测量的结果影响不超过0.06 ℃,测量分辨率优于0.004 ℃,满足高精度测温要求,稳定性和重复性良好。

图11 微型高灵敏度FBG温度传感器的长期稳定性和可靠性实验数据Fig.11 Experimental data of long-term stability andreliability of miniature high sensitivity FBG temperature sensor

由于受光纤光栅承受的应变量的限制,测温传感器的量程为20～40 ℃。实验的线性效果良好,为提高温度传感器的灵敏度提供了一种良好的方法。

6 结 论

本文经过理论分析双金属增敏结构的应变传递梁和基底材料、长度的变化对温度灵敏度系数的影响,获取了增敏结构所采用的材料及长度对温度灵敏度关系,采用准分子激光器写制的1 mm超短光纤光栅作为传感元件,制作了以热膨胀系数高的铝材料为基底、热膨胀系数低的殷钢为应变传递梁的微型高灵敏度温度传感器。通过理论分析、数值计算,表明金属增敏结构能够有效提高光纤光栅温度灵敏度。并对其进行了实验的标定、重复度实验验证,实验结果表明:微型增敏温度传感器的灵敏度系数为292.59 pm/℃,实现了在20～40 ℃的测温。经过循环试验,可知微型增敏温度传感器测量结果影响不超过0.06 ℃,满足高灵敏度、长期稳定性测温要求。微型高灵敏度温度传感器具有体积小、抗电磁干扰能力强、耐辐照、测量灵敏度系数高的特点,在高精度测温传感领域具有重要的应用价值。