光纖光柵非金屬耐腐蝕封裝及其溫度特性研究

張學智，祝連慶，張蔭民，劉 鋒，郭陽寬

(北京信息科技大學 光電信息與儀器北京市工程研究中心，北京100192)

1 引言

隨著經濟的迅猛發展，石油資源的需求量日益增大［1］。對大型容器的溫度、壓力、液位等物理參量的監控十分必要［2－3］。防止火災的發生，避免經濟損失以及保證工作人員的人身安全，對溫度參數的實時監控至關重要。傳統的電學傳感器在使用中發熱嚴重，帶來火災隱患，而且無法在電磁干擾及化學腐蝕環境下正常工作。光纖本身的材料就是電絕緣介質，安全可靠，光纖光柵傳感器能夠很好地解決以上問題［4－6］。

光纖具有強抗干擾能力，靈敏度高，體重輕，體積小，復用能力強，能夠實現多參量的分布式測量。光纖Bragg光柵(fiber Bragg grating，FBG)傳感技術采用波長編碼，不受到光強變化與光纖彎曲損耗等其他因素影響［7－11］。然而，光柵本身非常纖細脆弱，FBG傳感器的工作環境往往十分惡劣，因此，必須對光柵進行有效封裝，才能滿足不同工程的實際需求［12－13］。FBG中心波長易受溫度與應變參量交叉影響，這成為光纖光柵傳感器在封裝制作中的難題［14］。

1995年，Inoue等人［15］首先將FBG粘貼在鋁片上;同年，G．W．Yoffe等人［16］提出了采用二氧化硅毛細管與鋁合金毛細管雙層封裝FBG的方法。國內也在光纖光柵傳感方面進行了諸多研究，張燕君等人［17］提出了一種FBG的毛細鋼管封裝工藝;于秀娟等人［18］采用鈦合金對FBG進行片狀封裝，提出了FBG鈦合金片封裝工藝。但是，FBG溫度傳感器不僅僅要考慮到溫度靈敏系數，還需要根據其工程環境對封裝材料與方法進行調整。在強腐蝕環境下，傳統金屬封裝的傳感器無法長時間健康工作，而聚四氟乙烯材料具有抗酸抗堿、抗各種有機溶劑的特點，幾乎不溶于所有的溶劑。同時，聚四氟乙烯又具有耐高溫的特點。因此，利用聚四氟乙烯材料封裝FBG溫度傳感器研究有著深遠的意義。

2 光纖光柵溫度傳感的理論分析

根據麥克斯韋的經典方程，利用光纖耦合模理論，并結合光纖光柵傳輸模式的正交關系，可以得到光纖Bragg光柵中心波長的基本表達式為:

式中，neff為光纖芯區的有效折射率;Λ為光纖光柵周期。光纖光柵周期Λ可以通過調整兩束相干紫外光的相對角度而得以改變，利用這樣的方法，就可獲得不同中心波長的光纖Bragg光柵。

對中心波長的基本表達式(1)取微分，可得到光纖Bragg光柵中心波長漂移量ΔλB的表達式為:

式中，ΔΛ表示溫度變化引起的受熱膨脹或者是軸向應變對周期產生了影響;Δneff表示溫度變化引起的熱光效應或者是軸向應變引起的彈光效應對光纖纖芯有效折射率產生了影響。

再對基本表達式(1)對溫度T求導數，得:

用表達式(3)兩端分別除以基本表達式(1)兩端，得:

表達式(5)為光纖Bragg光柵溫度傳感的基礎表達式。不難看出，在確定光纖光柵的材料后，材料的系數可以看成常數。理論上，封裝出的溫度傳感器會得到很好的線性輸出。

表達式(6)為光纖Bragg光柵中心波長關于溫度的關系式，通過監測反射波長值的變化，可以計算出實測環境溫度的變化。對于石英光纖，α～0．5×10－6/℃，ξ～6．7×10－6/℃。由此可估算出，在常溫下光纖Bragg光柵的溫度靈敏度系數為7．2×10－6/℃。對于1．5μm系列的光纖光柵，單位溫度變化導致光柵中心波長漂移量為0．0108 nm/℃，由于摻雜成分與濃度的不同，各類光纖的膨脹系數α和熱光系數ξ也有較大差別。因此，溫度靈敏度也會相差很大［15］。

3 光纖光柵溫度傳感的實驗研究

3．1 選材封裝

實驗中所使用的FBG涂覆層主要成分為環氧樹脂、固化劑以及填充劑。并不能滿足在強腐蝕環境下中工作，需要對其保護性封裝。

聚四氟乙烯具有優良的化學穩定性、耐腐蝕性、密封性、不粘性、電絕緣性和良好的抗老化耐力，是一種性能優異的工程塑料，因此將其作為基底材料。聚四氟乙烯具有耐高溫的特點，它的摩擦系數極低，可應用于性能要求較高的耐腐蝕的管道、容器等。然而，其突出的不粘性，限制了其工業上的應用。它雖然是極好的防粘材料，但這種性能又使得它與其他物件的表面粘合極為困難。由此可見，粘接之前對其表面進行預處理是十分必要的。此FBG溫度傳感器采用的預處理方式是化學試劑處理，粘接使用的膠粘劑均為聚四氟乙烯樹脂膠。

FBG溫度傳感器封裝結構如圖1所示，整體結構尺寸為55 mm×1．5 mm×5 mm。封裝前的準備工作十分必要，聚四氟乙烯樹脂膠需要按比例調勻，靜止至氣泡消失;光柵部分與襯底頂蓋需要進行清潔處理。乙醇擦拭，超聲清洗，待表面晾干進行穿套。對FBG施加一定的預緊力，以防止膠粘劑固化收縮導致光纖光柵發生啁啾現象。襯底內側利用化學試劑進行表面活化處理，在目標區域點膠。封裝固化后，還要對其進行熱退火，這是為了充分釋放膠粘劑的內部應力，徹底去除啁啾現象對標定數據的不良影響。

圖1 光纖光柵溫度傳感器封裝結構Fig．1 Encapsulating structure of FBG temperature sensor

3．2 測溫實驗

FBG溫度傳感實驗裝置如圖2所示。采用Bayspec公司生產的FBG解調儀作為信號采集設備，掃描頻率為100 Hz，掃描范圍為1519～1570 nm，波長分辨率為1 pm，解調儀輸出C波段寬帶光。封裝處理前FBG反射率為90%，中心波長為1541．038 nm，經過封裝處理后FBG中心波長為1541．042 nm。選用Lightcomm公司生產的3端口環行器連接解調儀與FBG傳感器;寬帶光源由環行器1端口耦合進入環行器，由2端口注入FBG傳感器，反射光經由2端口和3端口輸入解調儀。FBG敏感元件放置于型號為9503A的電熱恒溫鼓風干燥箱，其測量精度為0．1℃。

圖2 FBG溫度傳感實驗裝置Fig．2 Schematic diagram of FBG temperature sensing

將待測FBG溫度傳感器放入電熱恒溫鼓風干燥箱內，溫度范圍設定在35～80℃。進行6組升溫降溫的循環實驗，升溫以35℃作為溫度起始點，每5℃作為一個溫度間隔，并保持10 min左右，升溫至80℃后開始降溫，同樣每5℃作為一個溫度間隔，并保持10 min左右，使鼓風干燥箱內溫度穩定，光柵伸縮均勻，記錄每5℃變化下FBG溫度傳感器的中心波長值。

3．3 實驗分析

FBG溫度傳感器在35～80℃的中心波長隨溫度變化的曲線如圖3所示。圖3(a)為升溫曲線，FBG傳感器的溫度靈敏度系數為9．93 pm/℃;圖3(b)為降溫曲線，溫度靈敏度系數為9．92 pm/℃，與理論上裸光柵基本一致。而且，Bragg中心波長與溫度的關系呈現出十分良好的線性關系，相關系數達到0．999以上，證明封裝后光柵保持拉直狀態，很好避免了光柵彎曲引起的啁啾現象。FBG傳感器自然放置于鼓風干燥箱，免受一切外界應力應變對其的影響，但鼓風干燥箱工作時自身振動會對波長的漂移值產生一定的影響。每個溫度點測量都會受到振動帶來的波長漂移，在鼓風干燥箱工作穩定后，振動情況基本保持恒定，Bragg中心波長受到振動而導致的漂移量也相對穩定，這對數據擬合線性度的影響并不明顯。但是，無論在升溫或降溫的過程中，60℃時反射峰值明顯偏離擬合曲線。經分析，可能是由于鼓風干燥箱風扇轉速變化致使設備發生共振現象，FBG傳感器受到比其他溫度測量點更為強烈的振動，致使波長漂移值發生了明顯變化。

圖3 FBG溫度傳感器在35～80℃時中心波長隨溫度變化的曲線Fig．3 Change curve of center wavelength of FBG temperature sensor against the temperature from 35℃to 80℃

標定過程中使用的光纖Bragg光柵解調儀的分辨率與精度決定著光纖光柵溫度傳感器的分辨率與精度。Bayspec公司的光纖光柵解調儀的分辨率為1 pm，精度為7 pm。而光纖光柵溫度傳感器的中心波長隨溫度的變化是9．93 pm/℃，因此，光纖光柵溫度傳感器的分辨率為0．10070℃，精度為0．70493℃。

聚四氟乙烯封裝的FBG溫度傳感器的溫度傳感靈敏度系數KT的平均值為9．93 pm/℃，而且滯后性良好。為了檢驗FBG溫度傳感器的重復性，對每次升溫的Bragg中心波長數據記錄如圖4所示。從圖中可見，每個溫度點的Bragg中心波長基本保持一致。不難看出，55～60℃過程中中心波長變化量最大，60～65℃過程中變化量最小，而且重復性實驗數據均體現出這一問題。經分析，很大可能是由于鼓風干燥箱共振導致。總體來說，封裝后的FBG傳感器是具有很好重復性的。

圖4 重復性實驗數據Fig．4 Experiment of data of repeatability

圖5 中心波長最大值與最小值的差值曲線Fig．5 Curve of variation of center wavelength of the maximum and minimum values

由圖5可見，大量反復實驗中，每個溫度測量點Bragg中心波長相差并不明顯。而差值最大的點還是出現在60℃，分析得出鼓風干燥箱的共振現象很可能造成中心波長穩定度降低，差值變大。

上述實驗結果與分析證明了FBG溫度傳感器設計的可行性。與裸光柵基本一直的溫度靈敏度系數，線性度達到0．999，0．1℃的分辨率，0．7℃的精度以及良好的重復性，無遲滯現象，這些參數基本滿足工程使用中的需求。

4 結論

光纖光柵本身比較脆弱，容易折斷。為了長時間處于極端惡劣環境下工作，本文采用耐腐蝕材料來制作FBG溫度傳感器，襯底和膠都選用聚四氟乙烯材料。通過鼓風干燥箱對FBG傳感器進行溫度標定實驗。經過多組數據對比研究，結果表明，FBG溫度傳感器的溫度靈敏度系數為9．93 pm/℃，與裸光纖理論值一致，線性度相關系數達到0．999，對溫度的分辨率為0．10070℃，精度為0．70493℃。良好的重復性與滯后性保證了其長期在惡劣環境下對溫度進行實時監控。隨著光纖光柵相關產業的蓬勃發展，對溫度靈敏度要求的不斷提高，非金屬耐腐蝕封裝并不能滿足高精度測量的需求，保護性封裝向增敏封裝的改進將成為產品的發展方向。本文作者正在針對非金屬耐腐蝕增敏封裝中面臨的增敏與測量溫度范圍相制約、中心波長穩定度低等問題進行研究。

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