光纖光柵測溫技術在航天器中的應用研究

任偉 彭仁軍 張東旭 劉艷陽

(1 上海衛星工程研究所，上海 201109)(2 北京航天時代光電科技有限公司，北京 100094)

目前，航天器普遍采用熱敏電阻、熱電偶等傳統溫度傳感器測量溫度，測點測量精度高，應用成熟。航天器向功能綜合化、智能化和高精度的方向發展，需要提高溫度環境的監測和保障能力。尤其是微小衛星，更需要輕量化、高功能密度的測溫技術。傳統的高精度、單點測溫方式，每個測點均需要2根導線，在測點多、測點密集的情況下，過多的測溫電纜給航天器集成帶來不便和難度。例如，對于大面積的展開式微波載荷來說，航天器外天線的測溫電纜有時多達數百根，不利于展開機構展開。

光纖因其抗電磁干擾、體積小、質量小等特點，被發展各式傳感器，在結構監測等領域得到應用[1-9]，溫度傳感器是其中的典型應用[4-9]。傳統光纖測溫技術主要基于拉曼散射原理，多應用在礦山、電廠等環境[5，7，9]，溫度采集精度低或測點位置精度不高，不適合航天器應用。光纖光柵(FBG)是一種新興的基礎性光纖器件[1-2]，可以利用其溫變特性制成溫度傳感器，實現一根光纖上對多點進行測溫，能大大減小測溫系統的質量和電纜復雜度，可作為提高航天器模塊化集成的有效途徑之一。不過，目前尚未查到光纖光柵溫度傳感器在航天器測溫中的應用研究。本文面向航天應用，介紹了光纖光柵傳感測溫方案的原理，討論了方案設計中的關鍵問題，并試制了光纖光柵測溫系統，完成了系統的標校和應用試驗，可為航天器溫度測量設備減重提供設計參考。

1 航天器光纖光柵測溫方案

針對航天器應用，光纖光柵測溫方案重點要建立系統構架，并解決光譜分配、傳感器方案、定標與溫度獲取方法等關鍵問題。

1)系統方案

光纖光柵是一種光纖器件。當寬帶連續光脈沖在光纖傳輸過程中傳輸到光纖光柵時，光柵會有選擇性地反射一個窄帶光，而讓剩余的寬帶光脈沖透射過去，如圖1所示。根據光柵布拉格周期Λ，2個后向傳輸模式之間形成滿足布拉格條件的特定中心波長λB的反射波，相當于纖芯內形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。反射波的中心波長[10]滿足

λB=2neffΛ

(1)

式中：neff為纖芯有效折射率。

注：n為折射率；n0為真空折射率；n1為包層折射率；n2為纖芯材料折射率；n3為光柵等效折射率；P為光譜響應強度；λ為波長。

圖1 光纖光柵測溫原理

Fig.1 Principle of fiber grating temperature measurement

光纖光柵測溫中不同的傳感器通過光譜特征分辨，因此可實現一根光纖上串接多個傳感器，并且可利用分路合路器實現單套光源、探測器和信號處理電路對多路光纖的數據采集，系統結構如圖2所示。單根光纖所串接的傳感器數量p取決于光源帶寬、測溫范圍、測溫精度、光探測器掃描步長等因素。單根光纖不足時，可增加測量通道滿足測溫點數需求。

圖2 光纖光柵測溫系統示意Fig.2 Fiber grating temperature measurement system diagram

2)測溫范圍、精度與光譜分配

單根光纖上的傳感器回波中心光譜不能發生混疊，因此要根據測溫的范圍、精度對回波光譜進行分配，并確定單根光纖傳感器的數量p。一般，航天器單機工作溫度為-15～+55 ℃，考慮適當的工程余量以及部分特殊使用要求，在以上溫度范圍的基礎上外擴20～30 ℃確定航天器內單機的溫度測溫范圍。對于特殊應用環境，可根據解調儀和光柵光譜區間對個別測點溫度范圍進行擴展。艙內單機溫度測量精度在0.1～0.5 ℃，可以滿足絕大多數情況下的要求。考慮光纖光柵中心波長間隔、可調諧光源輸出光波長范圍、單串傳感器數量三者匹配，單個光柵傳感器數量滿足以下條件。

(2)

式中：τ為光源帶寬；Tr為測溫范圍；Tp為測溫精度；D為光探測器在滿足Tp時所需最小探測步長，由硬件和尋優算法共同決定；c為傳感器與傳感器之間中心波長工程余量，建議取20%～50%。

3)傳感器方案

傳感器方案主要討論傳感器的形式、適用光纖類型，以及封裝和安裝在實際應用中所要注意的關鍵點。

(1)傳感器的形式。航天器溫度測量主要用于各單機設備以及關鍵位置的溫度監測，部分測點溫度作為溫度控制的依據。航天器上單機密集、結構復雜，可供粘貼溫度測點的區域相對較小，因此宜采用點式測量。在電纜測溫等行業應用的光纖測溫方法，可測量沿光纖的溫度，但定位精度在1 m以上，無法滿足航天器測溫的需要[7]，要采用小型鎧裝光纖光柵傳感器，長度、寬度分別控制在5 cm以內，盡量在1 cm以內。

(2)適用光纖類型。在光纖光柵溫度傳感系統中，解調系統通過反射光光強來確認反射波長的峰值位置。為了保證反射波長的測量精度，反射波長中心反射強度與非反射波長中心強度要具備高對比度，即要求采用高反射率光纖光柵。同時，光纖要具有較好的耐輻照特性，并避免因輻照引起的波長紅移影響。摻鍺光纖刻制的光柵會因為在輻照下光柵折射率變化而產生明顯的波長漂移，而摻氟的純石英光纖制作的光柵的中心波長在輻照條件下漂移量非常小，在30 000拉德(rad)計量輻照下，波長漂移產生的溫度變化小于0.15 ℃。采用摻鍺光纖、光敏光纖、摻氟光纖制作的布拉格光纖光柵，在輻照下的波長漂移如圖3所示。

圖3 不同摻雜光纖光柵中心波長受輻照影響Fig.3 Center wavelength of different doped fiber grating affected by irradiation

(3)封裝和安裝注意的關鍵點。由于光纖光柵本身抗剪切能力差，在實際工程應用中需要預先對光纖光柵進行封裝處理。目前，封裝形式主要有基片式、管式及嵌入式。幾種封裝形式都要考慮封裝材料與被測結構之間的相容，以及應變在光纖光柵傳感器各層界面之間的傳遞特性。傳感器在受外力影響發生變形時，會導致光柵產生變形，進而影響測溫精度，因此需要避免被測物本身形變對傳感器的影響。航天器在軌時一般單機機殼、安裝板受力微小，其影響可忽略不計；但傳感器用于機械臂等受力部件的溫度測量時，需要采取一定的解耦措施，降低或消除應變帶來的測量誤差。為達到良好的導熱效果，宜采用粘貼的方式。例如，采用硅橡膠進行粘貼，在保證粘貼牢固的同時，又能起到一定的消除變形影響的作用。安裝過程中，要對每個傳感器排布順序進行記錄，按照從中心波長小到大的順序連接，以利于后期維護和解調儀讀取波長。

4)傳感器回波光譜與溫度的關系

應當注意的是，傳感器制作時是先實施光纖光柵刻寫，再進行封裝。封裝過程會對光柵施加一定的預緊力，導致光柵波長發生改變，因此，傳感器回波光譜與溫度的關系，應在傳感器成型后建立，而并非在光纖刻寫時進行建立。

傳感器反射波中心波長與溫度的對應關系，與光纖光柵封裝帶來的增敏作用、預緊力等都有關。第i(i=1，2，3，…，p)個傳感器中心波長和溫度的對應關系為

λT,i=λT0+ΔλT0+KT(T-T0)+T0

(3)

式中：λT,i為第i個傳感器在溫度T時的中心波長，可由光探測器獲得；T0為傳感器制作時的溫度；λT0為光纖光柵在環境溫度T0進行刻寫時的中心波長；ΔλT0為制作傳感器工藝過程對光纖光柵中心波長的影響殘值(環境溫度T0)；KT為傳感器的溫度敏感系數，與傳感器形式、制作工藝有關。

由于ΔλT0和KT難以精確測量，可將式(2)的常數項合并，則式(3)可寫為

λT,i=KT·T+C

(4)

式中：C為合并后的綜合常數項。

由式(4)可知，回波中心波長與溫度為線性關系，可采用定標的方式獲得。將傳感器置于可設置溫度的恒溫箱內，通過測量不同溫度時傳感器的回波波長擬合出KT和C。至此，就建立了回波中心波長λT,i與溫度T的關系。

2 應用實例

本節以星載相控陣天線用測溫系統為例，說明光纖光柵測溫系統的具體實現。系統設計為由光纖光柵解調儀和光纖光柵傳感器兩部分組成，包含2個采集通道，每通道具有10個采集點。溫度精度設計為0.03 ℃，測溫范圍為-60～+60 ℃。

2.1 光纖光柵溫度傳感器

光纖光柵傳感器采用紅外飛秒激光器刻寫純石英光纖，解調方案基于可調諧激光器設計。

1)光譜分配

本文使用的可調諧光源輸出光波長范圍為1527～1568 nm，光纖光柵反射波長的溫度敏感系數約為10 pm/℃，測溫范圍為120 ℃，對應波長變化范圍為1.2 nm，因此設置每組光纖光柵中心波長間隔應大于1.2 nm，本文設為3 nm，保持光譜余量。

2)封裝設計與分析

采用鋁合金基片式封裝，以保證應變在被測結構與光纖光柵傳感器之間更好地進行熱傳遞，見圖4。利用有限元分析軟件，根據光纖光柵實際尺寸進行建模。光纖光柵應變分布見圖5，光纖光柵在拉伸應力下產生的變形，是應變由底端向中間呈階梯狀遞減，在較大程度上加持力未改變封裝結構的應力分布，封裝整體受力分布均勻。此封裝具有一定的增敏作用，能提高封裝成型后的光纖光柵溫度傳感器的溫度測量精度，以滿足更多實際工程應用。

圖4 光纖光柵溫度傳感器封裝形式Fig.4 Fiber grating temperature sensor package

圖5 光纖光柵應變分布Fig.5 Fiber grating strain distribution

3)傳感器標定

將固化完成的光纖光柵溫度傳感器與信號處理器連接，組成光纖光柵傳感系統，并將其置于恒溫干燥箱中進行標定。改變鼓風干燥箱的溫度，控制在-50～+50 ℃，以10 ℃為步長，記錄穩定后光纖光柵溫度傳感器的中心波長值。根據溫度傳感器標定試驗中所得數據，通過10次以上的循環試驗獲得溫度和波長的對應關系，可以得到溫度靈敏系數KT=22.26 pm/℃，如圖6所示。

圖6 光纖光柵溫度傳感器中心波長與溫度關系

4)測溫誤差檢驗

利用FLUKE7381水浴恒溫箱設定溫度，使用標定完成的光纖光柵對已知溫度進行溫度測量以得到光纖光柵測量的系統誤差和隨機誤差。對每個溫度點進行重復測量10次，計算得到光纖光柵溫度傳感系統最大系統誤差+0.002 ℃，隨機誤差的最大極端分布范圍為±0.004 ℃(分布類型為正態分布，置信概率取99.73%)。該光纖光柵溫度傳感系統的測溫精度滿足0.01 ℃的要求。

2.2 系統集成和布設

傳輸光纖直徑為0.9 mm，在某天線板每翼設置10個測點，共20個測點，緊貼天線板設備鋪設。布設采用S型走向，避免光纖折彎，見圖7。光纖在未加固定前的安裝過程中質脆易斷，天線板表面結構復雜，傳感器的連接采用現場熔接方式進行。使用硅橡膠將光纖及光纖光柵固定在天線板上。

圖7 光纖光柵溫度傳感器測點布設Fig.7 Measuring point layout of fiber grating temperature sensors

2.3 熱試驗應用情況

以衛星熱試驗為契機，在光纖光柵測點附近同時布設熱敏電阻測點。通過熱敏電阻和光纖測點測量結果的對比，判斷光纖測溫的有效性。以測點1為例，其數據對比如圖8所示。在熱沖擊載荷下二者測量數據呈現出溫度差異。初步分析這種差異是溫度響應時間不一致，以及光纖測點與熱敏電阻測點位置差異等因素的綜合結果，但主要是溫度響應時間的影響。

圖8 光纖光柵測溫數據與熱敏電阻測溫數據對比Fig.8 Temperature measurement data contrast between fiber grating and thermostat

由于光纖測溫系統單根光纖可串聯多個傳感器，在線纜方面比傳統的熱敏電阻大大節約。20個測點，均遠離星體，信號處理單機距離測點最遠直線距離達25 m。光纖測溫系統質量2.3 kg，具體見表1。

表1 光纖光柵測溫方案與熱敏電阻測溫方案的質量對比

注：1)20個熱敏電阻導線總量。

3 結論

本文提出航天器光纖光柵測溫方程，分析了其在航天應用中的關鍵問題，并研制產品完成定標、驗證。通過實例說明本文提出的光纖光柵測溫方案是可行的，相比傳統測溫方式可減少連接線纜，降低測溫系統的質量，提高系統集成度。特別是對于外部展開附件測溫點多的場合，可幫助減少關節處的線纜，避免大束測溫電纜對展開機構的影響。

光纖光柵測溫在航天應用中，還應注意以下3點。

(1)標定方法。信號處理單機的調試和中心波長的提取誤差，會導致系統測溫精度損失。比較穩妥的方式是將光纖傳感器與信號處理單機串聯起來進行系統性聯合標定，這樣比僅對傳感器進行標定更加可靠。大規模工程應用時，傳感器和信號處理單機分別進行標定，有利于提高工程研制效率，但需要對傳感器和信號處理單機加嚴標定精度。

(2)規范光纖傳感器的固定工藝。光纖傳感器的固定方式決定了溫度傳導的速率，影響光纖傳感器的溫度響應速度。因此，應對其固定工藝進行規范，避免由于工藝實施的差異性導致測溫存在差異。

(3)合理分配光纖傳感器光柵刻寫時的中心波長。同一根光纖上的光纖光柵傳感器回波中心波長需要錯開，不發生混疊。對同一個傳感器來說，光柵刻寫時的中心波長與封裝后的中心波長存在差異，因此在刻寫時應留有相對充分的余量。

本文工作可為光纖光柵測溫系統在航天器上應用提供參考。同時，建議從以下3個方面深化工程應用研究，進一步改進測溫效果。

(1)光纖選型。本文實例中選用純石英光柵，是考慮沒有摻雜的情況下，輻照條件下無色心效應，具有很好的抗輻照能力。但是，光纖的選型與光柵傳感器的溫度敏感性等多方面因素有關，應進行更深入得研究，以形成成熟有效的航天用光纖測溫傳感器。

(2)溫度響應。本文中光纖光柵傳感器封裝后溫度響應相對于熱敏電阻差，限制其在一些溫度變化比較快的場合下的應用。主要影響因素是傳感器封裝和傳感器的安裝工藝。

(3)傳感器輕小型化封裝。本文中傳感器相對較大，具有進一步小型化、輕型化的優化空間。

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