管式光纖光柵高溫傳感器封裝及溫度特性

任 越,張鈺民,鐘國舜,宋言明,孟凡勇

(1.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 100016；2. 北京信息科技大學 光電測試技術與北京市重點實驗室,北京 100192；3.中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

電力系統、石油化工、航天航空等領域的溫度監測至關重要,傳統的溫度傳感器在復雜的測溫環境中易受電磁干擾和惡劣環境的損害,不利于長期穩定工作[1-3]。光纖光柵是一種結構緊湊的傳感元件,相對傳統的電類傳感器而言,它具有抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、重量輕、可多路復用等優點,適合于惡劣環境下的長期監測[4-6]。

光纖光柵的有機物涂覆層無法長時間存在于300 ℃以上的高溫環境,抗剪切能力差,使用時需要對傳感器進行特殊的結構設計和封裝保護[7-10],因此國內外研究人員開展了大量封裝技術的研究工作。詹亞歌等人[11]采用線性膨脹系數不同的兩種金屬和光纖光柵組成傳感頭,將溫度轉化為應變進行測量,可以實現0～500 ℃的測量,但是該傳感器響應速度較慢。王宏亮等人[12]選用Ni基恒彈合金作為光纖光柵的基底材料和耐高溫耐腐蝕的膠封裝,實現了0～315 ℃的測量范圍和0.02 nm/ ℃的溫度靈敏度。饒春芳等人[13]研究了鍍鎳光纖光柵的溫度傳感特性,溫度測量極限可以達到300 ℃,但是鍍鎳過程中產生的殘余應力使得回程誤差較大。張智禹等人[14]利用絕熱材料對柵區封裝,制作了一種耐高溫光纖光柵溫度傳感器,溫度靈敏度為0.005 nm/ ℃,測量溫度可達310 ℃。Mamidi V R等人[15]利用不銹鋼管和陶瓷管封裝飛秒刻寫的光纖光柵,測量溫度范圍為20～650 ℃,分辨率為1 ℃。Hsiao T C等人[16]采用濺射技術將氮化鉻涂覆在光纖光柵上,成功制備了一種新型高溫傳感器,該傳感器在100～650 ℃的范圍內波長與溫度呈線性關系,傳感器的靈敏度約為14.0 pm/ ℃,線性度為0.992。

本文采用不銹鋼管制作了一種耐高溫光纖光柵傳感器,實驗表明該傳感器測量溫度可達到450 ℃,具有很好的線性度和重復性,分辨率高,性能穩定,機械性能好,便于安裝,可用于工程中的高溫測量。

2 光纖光柵傳感器工作原理

根據光纖耦合模理論,當一束寬帶光入射到光纖光柵,滿足布拉格條件的光被反射回來,反射波長被稱為布拉格波長,表示為:

λB=2neffΛ

(1)

式中,λB為光纖光柵的中心波長;neff為纖芯的有效折射率;Λ為光纖光柵周期。從式(1)可以看出當有效折射率neff和光柵周期Λ發生變化時,中心波長就會發生相應的改變。當光纖光柵只受溫度變化時,中心波長的相對變化率可以寫為:

(2)

式中,αf為光纖光柵的熱膨脹系數;ξf為光纖光柵的熱光系數;ΔT為傳感器溫度的變化量。對于純石英光纖,αf≈0.55×10-6/ ℃,ξf≈6.67×10-6/ ℃,光纖光柵中心波長為1550 nm的光柵的溫度靈敏度系數約為11.19 pm/ ℃。

3 傳感器封裝及實驗過程

將飛秒激光刻寫的純石英光纖光柵用用無水乙醇反復擦拭后備用,選用直徑1 mm,長200 mm的不銹鋼管作為保護套管。封裝前將353 ND雙組分按比例混合調勻,靜置10 min至氣泡消失以便使用。

傳感器的封裝結構如圖1所示,將去除一端尾纖光纖光柵伸入不銹鋼管中,然后在另外一端插入5 mm的碳纖維套管,用備好的高溫膠將光纖與纖維套管和不銹鋼管固定。此時,位于不銹鋼管內的光纖光柵處于自由狀態,確保不受外界應力的影響。位于不銹鋼管外部的光纖通過玻璃纖維和耐高溫金屬屏蔽線保護,然后將不銹鋼插件和保護彈簧安裝,用高溫膠固定。封裝后的傳感器如圖2所示。將封裝好的傳感器在500 ℃的高溫箱內放置5 h進行退火處理。

圖1 光纖光柵溫度傳感器封裝結構Fig.1 Fiber Bragg grating temperature sensor package structure diagram

圖2 光纖光柵傳感器封裝實物圖Fig.2 Fiber Bragg grating temperature sensor package physical picture

為測試傳感器的高溫溫度特性,搭建如圖3所示的溫度標定實驗系統,實驗中使用的高溫實驗箱型號為TMX-12L-12,其額定溫度為1100 ℃,精度為:±1 ℃,信號采集設備為BaySpec解調儀,其波長范圍為1525～1565 nm,分辨率為1 pm。將封裝好的光纖光柵溫度傳感器放入高溫實驗箱中,寬帶光源的光經過環行器入射到光纖光柵傳感器中,經傳感器反射后的光信號進入解調儀中。

實驗溫度范圍為100～450 ℃,均勻分布8個標定點,初始溫度為100 ℃,升溫溫度間隔為50℃,每個標定點穩定時長為60 min,在溫度穩定階段用解調儀采集數據,每1 min采集一次數據。進行四次重復實驗,將每次實驗穩定階段波長的平均值作為光纖光柵溫度傳感器在該標定點的中心波長值。

圖3 溫度標定實驗系統Fig.3 Temperature calibration test system

4 實驗結果與分析

光纖光柵溫度傳感器四次升溫實驗中心波長與時間關系如圖4所示,從圖中可以看出200 ℃以上傳感器具有很好的穩定性,200 ℃以下傳感器中心波長在一定范圍內波動,而此低溫段的波長波動是由高溫箱本身的溫度不穩定造成的。

圖4 波長隨時間變化的曲線Fig.4 Curve of wavelength over time

傳感器四次重復實驗中心波長隨溫度變化的曲線如圖5所示。從圖中可以看出每次實驗中心波長與溫度之間呈現良好的線性關系,線性相關系數高達0.995,將四次實驗靈敏度的平均值作為該傳感器的靈敏度,則該傳感器的靈敏度為12.7 pm/ ℃。

傳感器每個溫度標定點的中心波長值與該點四次實驗中心波長平均值的差值的變化關系如圖6所示,從圖中可以看出每個溫度標定點中心波長的變化都不大,差值較大的點出現在200 ℃以下的溫度點,最大值為-6.68 pm,其他點的差值不超過±4 pm,而且四次重復性實驗均體現這一特點。忽略高溫實驗箱在200 ℃以下本身不穩定因素的影響,該高溫光纖光柵傳感器具有良好的溫度重復性。

圖5 中心波長隨溫度變化的曲線Fig.5 Curve of the central wavelength changing with temperature

圖6 傳感器重復性實驗數據Fig.6 Sensor repeatability data

考慮到實驗使用的解調設備分辨率為1 pm,精度為7 pm,該傳感器的溫度靈敏度為12.7 pm/ ℃,表明該光纖光柵高溫傳感器的分辨率為0.0787 ℃。

5 結 論

本文采用不銹鋼管保護封裝的方法制作了光纖光柵高溫溫度傳感器。在100～450 ℃的溫度范圍內研究了傳感器的溫度特性,其溫度靈敏度系數為12.7 pm/ ℃,線性相關系數超過0.995,溫度分辨率為0.0787 ℃,具有很好的重復性。該封裝方法操作簡單、快捷,良好的重復性,保證了其長期在高溫環境下對溫度的監控,具有良好的實際應用前景。