金屬微細管封裝光纖Bragg光柵溫度傳感器的特性研究

曹芳　趙繼勇

【摘要】 設計并實現了一種金屬微細管封裝的光纖Bragg光柵溫度傳感器，并通過光矢量分析儀、恒溫箱以及拉伸試驗機對該溫度傳感器的光學、溫度以及抗拉性能進行了測量。實驗結果表明：在-20℃～150℃的溫度范圍內，其溫度靈敏度系數為10.42pm/℃（±0.01 pm/℃）、重復度為±1℃、精度為±0.2℃、線性度優于0.9991；可承受拉力大于100N。該封裝工藝結構簡單，實用性強，滿足電力工程環境下的溫度測量與監控要求。

【關鍵詞】 光纖光柵 溫度傳感 封裝工藝 金屬微細管

一、引言

隨著社會用電量的大幅增加，在發電廠、變電站以及城市配電網中，變壓器、高壓開關柜、刀閘、互感器等高壓電氣設備的應用日益廣泛。但由于電網負荷增大時，連接部位會發熱膨脹、升溫氧化以及接觸電阻增大，會進一步導致升溫，引起斷路、短路，甚至火災，因此高壓電氣設備以及相互之間的連接部位是整個電網中最為薄弱的環節[1-2]。

光纖光柵傳感器具有尺寸小、重量輕、靈敏度高、線性度好、抗電磁干擾、耐腐蝕、無電火花等優點，可以在易燃易爆、電磁等復雜環境中服役，且對波長絕對編碼、集傳感和傳輸于一體。同時，傳感器在特定的溫度變化范圍內可重復使用，極大的降低了系統成本和維護費用。

二、原理與工藝

2.1 測量原理

光纖光柵是利用光纖的光敏特性，采用紫外曝光的方法，在光纖纖芯上形成折射率沿軸向周期性分布的光無源器件，外界溫度改變會引起光纖光柵 Bragg波長漂移。不考慮外界因素的影響時，彈光效應以及波導效應不對光纖光柵的波長漂移造成顯著影響，若不考慮溫度對熱膨脹系數和熱光系數的影響，則光纖光柵溫度靈敏度系數為一常量，光纖光柵Bragg波長的漂移量與溫度的改變成正比[3]。實時測量時，利用光檢測儀器測量光纖光柵的反射或透射譜的波長變化，便可精確獲知光纖光柵所處位置的溫度。

2.2 封裝工藝

光纖光柵為自行制備，光纖選擇普通G.652光纖，為提高光纖的光敏性，先將其置于13MPa的氫艙中載氫3個月；采用相位掩膜法，使用1070 nm的相位模板和244nm的紫外光在光纖上刻制光柵；光纖光柵的柵長為11mm，采用高斯切趾以抑制旁瓣；完成刻制的光纖光柵須放入120℃的恒溫油槽進行24小時的退火，以提高其性能穩定性。

由于光纖光柵外徑極細、質脆，且抗剪能力差，為滿足電力工程環境應用的要求，在選擇光纖光柵溫度傳感器的封裝工藝時，需兼顧溫度傳感器的重復性和線性度、機械強度、穩定性以及隔離應力對波長的影響等因素[4]。本實驗中，溫度傳感器采用金屬微細管封裝結構，其原理是將光纖光柵本體懸空固定于金屬微細管中，以隔離外界應力對波長的影響；使用環氧樹脂以管內注膠的方式將某型玻璃纖維編織物（防磨、防酸、防曬、防霉、阻燃、耐高溫、抗老化）與引出光纖、金屬微細管互相粘連固定，玻璃纖維編織物起到松套管的作用，以提高光纖光柵溫度傳感器在金屬微細管喇叭口附近的抗剪能力和引出光纖的生存能力。

同時配以專門設計的“手槍”形固定裝置，即可將溫度傳感器安裝于電力工程中斷路器手車的梅花觸頭上，該溫度傳感器在斷路器手車梅花觸頭上的具體應用如圖1所示。

三、實驗及分析

本實驗共封裝了八根傳感器，其中U1～U4四根傳感器用于光學、溫度性能測試，U5～U8四根傳感器用于抗拉性能測試。

3.1 光學性能測試

采用LUNA OVA（光矢量分析儀）對U1～U4四根光纖光柵進行光學性能測試。光學性能測試結果表明：四根傳感器反射率均大于75%，半高全寬（FWHM）為0.25nm（±0.05nm，高斯切趾），邊模抑制比（SMSR）均大于15dB，U1～U4的反射譜如圖2所示。

3.2 溫度性能測試

利用恒溫箱，采用水浴法對U1～U4四根傳感器進行溫度性能測試，測試曲線如圖3所示。

溫度性能測試結果表明：四根傳感器在-20℃～150℃的測試范圍內有良好的溫度特性，溫度靈敏度系數為10.42 pm/℃（±0.01 pm/℃）、溫度重復度為±1℃、溫度精度為±0.2℃、線性度均高于0.9991。

3.3 抗拉性能測試

采用拉伸試驗機對U5～U8四根傳感器進行抗拉性能測試，四根傳感器均采用管內注膠方式，測得其最大承受拉力分別為110N、112N、100N、104N，具備良好的抗拉性能。

綜上分析，本實驗設計并實現的光纖Bragg光柵溫度傳感器的光學、溫度以及抗拉性能均已滿足電力工程環境中的應用要求。

四、結束語

本文設計并實現了一種金屬微細管封裝的光纖Bragg光柵溫度傳感器并測試、分析了其傳感性能。

實驗結果表明，該溫度傳感器具備良好的光學、溫度以及抗拉性能，滿足電力工程環境下的溫度測量與監控要求，并且已實際應用于電力工程中斷路器手車的梅花觸頭上。

參 考 文 獻

[1] June-Ho Lee， Soo-Gil Kim， et al. Investigation of fiber Bragg grating temperature sensor for applications in electric power systems[C]. Properties and applications of Dielectric Materials， 2006：431-434.

[2] 萬賢杰. 基于可調諧光源的光纖光柵溫度監測系統在電網上的應用[D]. 中國科學技術大學，2006. 05：1-2

[3] 賈振安，喬學光，傅海威，等.光纖光柵溫度增敏技術[J]. 西北大學學報（自然科學版），2003，33（4）：413-415

[4] ZhouZ， ZhaoXF， WuZJ， et al. Study on FBG sensors steel capillary encapsulating technique and sensing properties[J].Chinese Journal of Lasers， 2002， 29（12） ：1090-1092.