管式光纤光栅高温传感器封装及温度特性

任 越,张钰民,钟国舜,宋言明,孟凡勇

(1.北京信息科技大学 光电信息与仪器北京市工程研究中心,北京 100016；2. 北京信息科技大学 光电测试技术与北京市重点实验室,北京 100192；3.中国电子科技集团公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

电力系统、石油化工、航天航空等领域的温度监测至关重要,传统的温度传感器在复杂的测温环境中易受电磁干扰和恶劣环境的损害,不利于长期稳定工作[1-3]。光纤光栅是一种结构紧凑的传感元件,相对传统的电类传感器而言,它具有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、重量轻、可多路复用等优点,适合于恶劣环境下的长期监测[4-6]。

光纤光栅的有机物涂覆层无法长时间存在于300 ℃以上的高温环境,抗剪切能力差,使用时需要对传感器进行特殊的结构设计和封装保护[7-10],因此国内外研究人员开展了大量封装技术的研究工作。詹亚歌等人[11]采用线性膨胀系数不同的两种金属和光纤光栅组成传感头,将温度转化为应变进行测量,可以实现0～500 ℃的测量,但是该传感器响应速度较慢。王宏亮等人[12]选用Ni基恒弹合金作为光纤光栅的基底材料和耐高温耐腐蚀的胶封装,实现了0～315 ℃的测量范围和0.02 nm/ ℃的温度灵敏度。饶春芳等人[13]研究了镀镍光纤光栅的温度传感特性,温度测量极限可以达到300 ℃,但是镀镍过程中产生的残余应力使得回程误差较大。张智禹等人[14]利用绝热材料对栅区封装,制作了一种耐高温光纤光栅温度传感器,温度灵敏度为0.005 nm/ ℃,测量温度可达310 ℃。Mamidi V R等人[15]利用不锈钢管和陶瓷管封装飞秒刻写的光纤光栅,测量温度范围为20～650 ℃,分辨率为1 ℃。Hsiao T C等人[16]采用溅射技术将氮化铬涂覆在光纤光栅上,成功制备了一种新型高温传感器,该传感器在100～650 ℃的范围内波长与温度呈线性关系,传感器的灵敏度约为14.0 pm/ ℃,线性度为0.992。

本文采用不锈钢管制作了一种耐高温光纤光栅传感器,实验表明该传感器测量温度可达到450 ℃,具有很好的线性度和重复性,分辨率高,性能稳定,机械性能好,便于安装,可用于工程中的高温测量。

2 光纤光栅传感器工作原理

根据光纤耦合模理论,当一束宽带光入射到光纤光栅,满足布拉格条件的光被反射回来,反射波长被称为布拉格波长,表示为:

λB=2neffΛ

(1)

式中,λB为光纤光栅的中心波长;neff为纤芯的有效折射率;Λ为光纤光栅周期。从式(1)可以看出当有效折射率neff和光栅周期Λ发生变化时,中心波长就会发生相应的改变。当光纤光栅只受温度变化时,中心波长的相对变化率可以写为:

(2)

式中,αf为光纤光栅的热膨胀系数;ξf为光纤光栅的热光系数;ΔT为传感器温度的变化量。对于纯石英光纤,αf≈0.55×10-6/ ℃,ξf≈6.67×10-6/ ℃,光纤光栅中心波长为1550 nm的光栅的温度灵敏度系数约为11.19 pm/ ℃。

3 传感器封装及实验过程

将飞秒激光刻写的纯石英光纤光栅用用无水乙醇反复擦拭后备用,选用直径1 mm,长200 mm的不锈钢管作为保护套管。封装前将353 ND双组分按比例混合调匀,静置10 min至气泡消失以便使用。

传感器的封装结构如图1所示,将去除一端尾纤光纤光栅伸入不锈钢管中,然后在另外一端插入5 mm的碳纤维套管,用备好的高温胶将光纤与纤维套管和不锈钢管固定。此时,位于不锈钢管内的光纤光栅处于自由状态,确保不受外界应力的影响。位于不锈钢管外部的光纤通过玻璃纤维和耐高温金属屏蔽线保护,然后将不锈钢插件和保护弹簧安装,用高温胶固定。封装后的传感器如图2所示。将封装好的传感器在500 ℃的高温箱内放置5 h进行退火处理。

图1 光纤光栅温度传感器封装结构Fig.1 Fiber Bragg grating temperature sensor package structure diagram

图2 光纤光栅传感器封装实物图Fig.2 Fiber Bragg grating temperature sensor package physical picture

为测试传感器的高温温度特性,搭建如图3所示的温度标定实验系统,实验中使用的高温实验箱型号为TMX-12L-12,其额定温度为1100 ℃,精度为:±1 ℃,信号采集设备为BaySpec解调仪,其波长范围为1525～1565 nm,分辨率为1 pm。将封装好的光纤光栅温度传感器放入高温实验箱中,宽带光源的光经过环行器入射到光纤光栅传感器中,经传感器反射后的光信号进入解调仪中。

实验温度范围为100～450 ℃,均匀分布8个标定点,初始温度为100 ℃,升温温度间隔为50℃,每个标定点稳定时长为60 min,在温度稳定阶段用解调仪采集数据,每1 min采集一次数据。进行四次重复实验,将每次实验稳定阶段波长的平均值作为光纤光栅温度传感器在该标定点的中心波长值。

图3 温度标定实验系统Fig.3 Temperature calibration test system

4 实验结果与分析

光纤光栅温度传感器四次升温实验中心波长与时间关系如图4所示,从图中可以看出200 ℃以上传感器具有很好的稳定性,200 ℃以下传感器中心波长在一定范围内波动,而此低温段的波长波动是由高温箱本身的温度不稳定造成的。

图4 波长随时间变化的曲线Fig.4 Curve of wavelength over time

传感器四次重复实验中心波长随温度变化的曲线如图5所示。从图中可以看出每次实验中心波长与温度之间呈现良好的线性关系,线性相关系数高达0.995,将四次实验灵敏度的平均值作为该传感器的灵敏度,则该传感器的灵敏度为12.7 pm/ ℃。

传感器每个温度标定点的中心波长值与该点四次实验中心波长平均值的差值的变化关系如图6所示,从图中可以看出每个温度标定点中心波长的变化都不大,差值较大的点出现在200 ℃以下的温度点,最大值为-6.68 pm,其他点的差值不超过±4 pm,而且四次重复性实验均体现这一特点。忽略高温实验箱在200 ℃以下本身不稳定因素的影响,该高温光纤光栅传感器具有良好的温度重复性。

图5 中心波长随温度变化的曲线Fig.5 Curve of the central wavelength changing with temperature

图6 传感器重复性实验数据Fig.6 Sensor repeatability data

考虑到实验使用的解调设备分辨率为1 pm,精度为7 pm,该传感器的温度灵敏度为12.7 pm/ ℃,表明该光纤光栅高温传感器的分辨率为0.0787 ℃。

5 结 论

本文采用不锈钢管保护封装的方法制作了光纤光栅高温温度传感器。在100～450 ℃的温度范围内研究了传感器的温度特性,其温度灵敏度系数为12.7 pm/ ℃,线性相关系数超过0.995,温度分辨率为0.0787 ℃,具有很好的重复性。该封装方法操作简单、快捷,良好的重复性,保证了其长期在高温环境下对温度的监控,具有良好的实际应用前景。