光纖多參數傳感器研究

劉統玉，李振，孟祥軍，趙林，王富奇，董果鳳，王紀強

（1.山東省光纖傳感技術重點實驗室，齊魯工業大學（山東省科學院）山東省科學院激光研究所，山東 濟南 250103；2.山東微感光電子有限公司，山東 濟南 250103；3.兗礦集團有限公司，山東 濟寧 272000；4.兗州煤業股份有限公司，山東 濟寧 272000）

1 引言

煤炭作為我國最大的能源支撐，在整個工業領域發展中具有舉足輕重的作用。安全運營是礦山健康發展的前提。隨著煤礦信息化、機械化和智能化水平的提高，新的智能化煤礦設備、通信技術和煤礦安全監測監控系統的逐漸普及，我國礦山事故發生率大幅下降[1]。然而，沖擊地壓、火災、水災、瓦斯泄漏等事故一旦發生，會嚴重威脅井下工作人員的生命安全，給社會帶來嚴重的經濟財產損失，煤礦安全監測監控系統亟需性能更高的傳感器。火災是礦山地下空間的主要災種，其產生的高溫、煙霧和有害氣體是災害救助的最大難題，也是造成損失的主要因素；準確實時地監測控制礦井風流，可以有效地降溫、防火滅火、疏散有害氣體以及防止次生瓦斯爆炸等事故。近年來，隨著煤礦不斷向深部開拓，深井作業采掘工作面空氣溫度和濕度升高，嚴重影響工人身體健康，惡化電氣設備運行環境，構成新的安全生產隱患。因此，對井下溫濕度及風速的實時在線監測，不但有助于減少火災爆炸事故，而且能夠顯著改善井下工作環境，延長設備壽命，提高生產效率。

礦用風速傳感器主要分為熱線式、葉輪式、差壓式與超聲漩渦式[2]。熱線式風速傳感器通過風流經發熱元件時帶走的熱量與風速成正比的原理測量風速，但井下環境惡劣，流體動力干擾等影響因素較多，且易損壞熱線[3]。葉輪式風速傳感器通過測量轉動速率實現風速測量，存在最低啟動風速，無法檢測微風，且轉動結構易受污染影響葉輪轉動阻力，造成較大的測量誤差，適用于中速測量，其機械轉動機理也使傳感器的使用壽命有限[4]。差壓風速傳感器是目前主要采用的礦用風速傳感器，結構簡單，價格較低，但是受檢測原理所限其量程有限、易堵塞[6]。另外，傳統的風速傳感器都直接或間接地通過電信號與風速的對應關系實現風速測量，在礦井下大功率變頻環境下，電信號傳輸易受電磁場干擾影響測量精度[7-8]。

溫濕度傳感器主要有毛發式、干濕球式、壓阻式、電容式及電阻式等[9]。毛發式及干濕球式傳感器是最早應用于溫濕度監測的溫濕度計量設備，其應用廣泛，但測量精度較低（最大誤差±8% RH）。壓阻式溫濕度傳感器存在固定的溫度漂移，長期穩定性差。隨著技術的進步，電容式及電阻式溫濕度傳感器由于測量精度高，響應速度快，目前被廣泛應用于倉儲、醫藥、電力、礦山等領域的溫濕度監測[10-12]。實際使用過程中，現有傳感器存在以下不足。靈敏度不高，存在溫度漂移、零點漂移，需要進行相應誤差補償；易受電磁信號干擾，安裝調試復雜，不便于遠距離傳輸；同時，由于傳感器本身的非絕緣性，在進行溫濕度檢測時引入了新的安全隱患，因此難以對特殊環境的溫濕度參數進行有效檢測。

光纖傳感技術以光纖作為信號感知和信號傳輸載體，普通傳輸光纖不會影響傳輸光波的頻率特性；同時，光纖光柵傳感系統以頻率為信號數據采集要素，從本質上避免了光強起伏引起的干擾。光纖光柵傳感器響應快，動態范圍大，不受光纜接頭等損耗影響，具有本質安全、抗電磁干擾等突出優點，特別適合易燃易爆等危險場合應用[13-14]。針對地下空間安全監控需求，本文開展了基于光纖光柵檢測原理的風速、溫濕度傳感器研發，實現了礦山微風、低風檢測以及高靈敏度溫濕度檢測的技術需求。

2 光纖Bragg 光柵傳感及解調

2.1 光纖Bragg 光柵傳感原理

光纖Bragg 光柵（FBG,fiber Bragg grating）是一段纖芯中具有折射率周期性變化結構的光纖，是利用光纖的光敏特性制成的。由于石英光纖具有紫外光敏特性，故可在光纖上直接制作光波導結構形成光纖波導器件，相當于在纖芯內有一個窄帶濾波器或者反射鏡。基于光纖光柵傳感器的傳感過程是通過外界參量對Bragg 中心波長的調制來獲取傳感信息，是一種波長調制型光纖傳感器。FBG 結構如圖1 所示，其中，內層為纖芯結構，外層為包層結構，纖芯的折射率比包層的折射率稍大。圖1中，Λ為光柵的周期，當光波通過FBG 傳感器時，特定波長的光被光纖光柵反射回去，其他波長的光則透過[14]。

根據光纖耦合模理論，光纖Bragg 光柵的諧振方程為

其中，λB為光纖Bragg 中心波長，neff為纖芯有效折射率，Λ為光柵周期。由式(1)可知，FBG 傳感器中心波長由其纖芯有效折射率和光柵周期共同決定。對式(1)微分得

由式(2)可知，當neff或Λ改變時，光纖Bragg中心波長會發生漂移。

無論是對光柵進行拉伸還是壓縮，均會導致光柵周期Λ發生變化。光纖本身具有的彈光效應決定了其有效折射率neff會隨外界應力狀態的變化而變化。應力應變引起的光纖Bragg 波長漂移如式(3)所示。

圖1 光纖Bragg 光柵結構示意

其中，Pe為FBG 的彈光系數，K為測量應變的靈敏度，Δε表示光柵應變。

溫度變化引起的光纖Bragg 波長漂移如式(4)所示。

其中，KT為溫度靈敏系數，α為FBG 的熱膨脹系數，ξ為FBG 的熱光系數，ΔT表示溫度變化。在同種溫度環境下，采用光纖光柵溫度補償傳感器可以克服溫度對應變測量的影響。因此，應力應變成為引起光柵Bragg 波長漂移的最直接外界因素。當光纖光柵溫度、應力或磁場改變時，都會導致反射中心波長的變化[14]。因此，通過測量光纖光柵中心波長的變化就可以反映外界被測信號的變化。

2.2 FBG 傳感網絡復用及解調原理

FBG 傳感網絡系統包括傳感部分和解調部分，解調部分是傳感網絡化的基礎，其中傳感光柵的復用是關鍵技術。復用技術使多個傳感器共用同一光源和解調系統，從而降低成本，簡化設備。通常情況下，可以通過對光載波的頻譜、幅度、相位或偏振情況進行調制編碼。簡單的FBG 傳感網絡復用的原理如圖2 所示。

圖2 FBG 傳感網絡復用的原理

解調是影響光纖傳感實用化的關鍵。傳感過程通過外界參量對光纖光柵中心波長的調制來實現；而解調過程則相反，它是將反射波長的變化量轉化為未知的外界參量信息的過程。圖2 中激光器發出脈沖光通過光分路器到達感知終端FBG傳感器陣列，FBG 傳感器感應外界環境溫度、應變，使產生的反射光波長λ1,λ2,…,λn發生改變，通過對FBG 傳感器波長監測及多通道的波分復用，實現光纖多參數傳感網絡的實時在線監測。

3 光纖風速傳感器

3.1 光纖風速傳感器設計

光纖熱線傳感器探頭結構及檢測原理如圖3所示。一根普通光纖Bragg 光柵（FBG）與摻鈷光纖并排插入銅管內，銅管內徑為0.6 mm，壁厚0.1 mm，內部注滿硅油。普通單模光纖光柵與快速光柵解調儀連接，其中心波長為1 550 nm，摻鈷光纖在1 480/1 550 nm 泵浦光源的激光抽運下，將光能轉化為熱能，從而使FBG 周圍溫度升高，其中心波長發生紅移；當流體流經銅管表面時發生對流傳熱，熱量散失，FBG 周圍溫度降低，其中心波長發生藍移。

圖3 傳感器探頭結構及檢測原理

銅管一端由絕熱材料固定，固體導熱可忽略不計，摻鈷光纖通過光熱轉化效應產生的熱量為Q。

其中，Q1為被銅管吸收的熱量；Q2為與外界流體進行熱交換的熱量，包括熱傳導損耗Qcond、對流損耗Qconv和熱輻射損耗Qradi。銅管直徑為0.6 mm，與光纖直徑0.125 mm 具有相同數量級，且銅管中注入良導體硅油，因此可將FBG 所處溫度場等同于銅管內壁溫度分布。銅的導熱系數為m，表面傳熱系數為h。由傳熱學可知，當固體內部導熱熱阻遠小于其表面換熱熱阻時，任何時刻固體內部溫度趨于一致，可以認為整個固體在同一時刻均處于同一溫度下，由畢渥數Bi 作為參考標準[15]。

其中，l1為銅管特征長度，此處近似為銅管壁厚。

因此，光纖熱線傳感探頭可按集中參數法建立傳熱模型，所要求解溫度僅是時間的一元函數，與空間坐標無關，即可認為銅管沿軸向無溫度梯度。輻射換熱如式(7)所示。

其中，銅的輻射發射率ε=0.03，黑體輻射常數δ=5.67×10-8W/(m2·K4)，銅管外表面積S=2.512×10-5m2，最大溫升tw=473 K，t0=300 K，可得Qradi=1.8 mW。而總功率為300 mW 左右，因此可忽略輻射傳熱影響。Q=Q1+Qconv為非穩態、有內熱源傳熱模型，其導數微分方程為

當傳感器在一定功率下達到穩態平衡時，溫度t=tw，可得

將式(9)代入式(8)，可得

當傳感器達到穩態平衡時，其自身溫度不再變化，內熱源產生的熱量等于對流散失的熱量，可得

由光纖傳感原理可知

其中，k為光纖光柵溫度系數。

圖2為不同學院實際參與采訪工作的程度分析。其表明法學院、國際經貿學院、國際商務外語學院、金融管理學院、會計學院對采訪工作的參與程度極度不對稱，其薦購書目冊次與借閱冊次比值均小于0.1，同時這幾個學院的借閱冊次較高，均大于4 000冊次。

表面傳熱系數h取決于塞努爾數Nu，，其中，kw為流體導熱系數。在工程應用中，通常選用較簡潔的熱耗散計算式——King 定律[15]表示Nu，如式(13)所示。

基于式(10)～式(13)，傳感器動態范圍（對應于所用光纖光柵波長的變化）Δλ和傳感器響應時間τ如式(14)所示。

其中，Ac、Bc是取決于流體狀態的常數，Δλ為光柵波長變化，u為速度，ρcV為探頭熱容量（ρ、c、V分別為探頭封裝材料密度、比熱容和體積），v為空氣粘度系數，A為探頭有效面積，l2為傳感元件的特征長度。由式(14)可以看出，光纖光柵的波長變化與所用套管的散熱面積和風速成反比，傳感器響應時間與套管的熱容器成正比，與套管的散熱面積和風速成反比。

3.2 光纖風速傳感器測試

根據2.1 節所述自制光纖熱線傳感探頭，傳感器實驗裝置參數如下：泵浦光源為1 480/1 550 nm，其功率為0～500 mW 可調；解調儀為1 kHz 快速光纖光柵解調儀；泵浦光源與傳感探頭內的摻雜光纖連接，解調儀與傳感探頭內的光纖光柵連接，傳感探頭置于風洞中。

在泵浦光功率分別為149.7 mW、80 mW 的條件下，用光柵解調儀記錄不同風速對應的波長漂移，結果如圖4 所示。

圖4 不同風速對應的波長漂移

從圖4 可以看出，傳感器探頭的響應時間隨著風速的增加而減少，波長動態范圍也隨之增加。對風速與光纖光柵波長漂移量呈非線性變化。在0.28～5.66 m/s，泵浦光功率為147.9 mW、80 mW 時，FBG波長漂移在2.5 s 內達到最大波長變化的63%。

從圖4 還可以看出，隨著風速的增加，光纖光柵波長漂移量呈非線性變化，在較低的風速范圍內其對風速的靈敏度較高，泵浦光源功率越高，光柵波長漂移范圍越大，風速檢測靈敏度越高。如果使用精度為1 pm 的商用光纖光柵解調儀提取測量數據，在泵浦功率149.7 mW 下，當風速在0～0.57 m/s 范圍內時，傳感系統的靈敏度為1 370 pm/(m·s-1)，此時傳感器最高分辨率達到0.7 mm/s；當風速在0.57～2.26 m/s 范圍內時，傳感系統的靈敏度為109 pm/(m·s-1)；當風速在2.66～5.66 m/s 范圍內的靈敏度為33 pm/(m·s-1)。由此可知，該裝置非常適合于微風監測。

圖5 波長變化曲線斜率及其擬合曲線

4 光纖溫濕度傳感器

4.1 光纖溫濕度傳感器設計

依據熱光效應、熱膨脹效應，溫度會導致光柵有效折射率和光柵間距的變化。環境中濕度變化將導致濕敏薄膜膨脹或收縮，由于濕敏薄膜和光柵之間的相互作用，引起被涂覆光柵的應變，使光柵有效折射率和光柵間距發生變化。綜合考慮濕度、溫度引起的光柵軸向應變、彈光效應、熱光效應，光纖光柵中心波長關于溫、濕度的關系式可簡化為

其中，Pe、ξ分別為光柵的彈光系數、熱光系數，αRH、αT分別為光柵的濕度膨脹系數和溫度膨脹系數。本文將涂覆濕敏材料后的光纖光柵簡稱為濕度光柵。濕度光柵的彈光系數、熱光系數、濕度膨脹系數和溫度膨脹系數均為常數，光纖光柵的中心波長變化ΔλH為

其中，kHT、kHH分別為濕度光柵對溫度和相對濕度的靈敏度系數，如式(17)所示。

本文將未涂覆的光纖光柵簡稱為溫度光柵。溫度光柵的中心波長變化ΔλT為

其中，kTT、kTH分別為溫度光柵對溫度和相對濕度的靈敏度系數，未涂覆的光纖光柵的濕度膨脹系數αRH趨近于0。

聯立式(16)、式(18)和式(19)，可得環境溫濕度與2 種光纖光柵中心波長的關系，分別如式(20)和式(21)所示。

由此可知，通過解調儀實時測量2 種光纖光柵的波長，對波長數據進行線性擬合和溫度補償即可得到當前環境溫濕度數值。

傳感器封裝采用聚酰亞胺作為濕敏材料，并采用提拉涂覆法對光柵進行涂覆鍍膜，對涂覆后的光柵進行加熱處理，聚酰亞胺脫水固化，在光纖光柵表面形成聚酰亞胺薄膜。在實驗中不斷優化提拉速度、溶液粘度、固化時間等參數，通過改變涂覆次數可以獲得不同厚度的均勻聚酰亞胺薄膜，實現對不同傳感器的靈敏度控制。最后，根據傳感器在現場的具體應用環境要求，傳感器本身及內部光纖固定采用SLA 光敏樹脂材料對光柵進行結構化封裝。

4.2 光纖溫濕度傳感器測試

在恒溫條件下，飽和鹽溶液可在液面處達到三相平衡狀態，在液面上方形成恒定的濕度環境。本節實驗通過恒溫恒濕箱和飽和鹽溶液產生溫濕度恒定的環境，對傳感器的靈敏度和響應時間進行測試。保持25℃的恒溫條件下，把傳感器分別置于LiBr（6.4% RH）、LiCl（11.3% RH）、MgCl2（32.8% RH）、K2CO3（43.2% RH）、NaBr（57.6%RH）、NaCl（75.3% RH）、KCl（84.2% RH）、K2SO4（97.3% RH）飽和鹽溶液，監測傳感器濕度光柵波長隨濕度變化曲線，如圖6 所示。由圖6 可知，隨著環境濕度的增加，傳感器波長逐漸增加，傳感器對濕度變化具有良好的響應特性。

圖6 濕度光柵響應曲線

為進一步對傳感器進行標定測試，任選3 個溫濕度傳感器，保持25℃的恒溫條件下，把傳感器分別置于LiCl（11.3% RH）、CH3COOK（22.5% RH）、K2CO3（43.2% RH）、NaBr（57.6% RH）、KI（68.9%RH）、KCl（84.2% RH）飽和鹽溶液，待溶液內部溫濕度平衡后，以25℃、11.3% RH 為基準，3 個傳感器（S1、S2、S3）濕度光柵波長隨濕度的變化曲線如圖7 所示。對3 個傳感器波長隨濕度變化曲線進行線性擬合，擬合函數分別為y1、y2、y3。

圖7 傳感器標定曲線

由圖7 可知，傳感器對濕度的響應具有良好的線性度，且傳感器在11.3% RH～84.2% RH 范圍內，中心波長變化Δλ為0.25～0.31 nm，傳感器濕度檢測靈敏度為3.4 pm/%RH～4.2 pm/% RH。

根據傳感器標定系數對傳感器監測環境濕度與標準值進行誤差分析，兩者的監測誤差曲線如圖8 所示。由此可見，傳感器對環境濕度值的響應與標準值一致，且檢測誤差小于±3% RH。

圖8 傳感器誤差曲線

固定25℃恒溫條件下，把傳感器依次放入濕度變化值大于40% RH 的飽和鹽溶液，當濕度發生改變時，傳感器的濕度光柵波長隨之發生偏移，待濕度光柵波長穩定后，以傳感器在一定濕度值下，光柵波長總偏移量的63%所需的時間作為傳感器響應時間[16]，如圖9 所示。由圖9 數據計算可得，傳感器響應時間為150 s。

圖9 傳感器響應時間

5 結束語

本文基于光纖光柵檢測原理熱線傳感特性，研發了適用于地下空間安全監測應用的光纖風速傳感器。分析了傳感器量程、響應時間的影響參數，并通過實驗證明光纖風速傳感器對于低風速有較高的靈敏度，當風速為0.5 m/s 時，風速分辨率為0.7 mm/s。光纖溫濕度傳感器在FBG 光柵表面均勻涂覆濕度敏感的聚酰亞胺溶液，濕度變化導致光纖應變變化進而實現濕度測量。對新型光纖光柵溫濕度傳感器的性能參數進行測試，實驗測試結果顯示傳感器監測靈敏度4.2 pm/%RH，檢測精度小于±3% RH。