文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)10-0089-04
0 引言
1989年，Morey首次報道將光纖Bragg光柵（fiber Bragg grating, FBG）用作傳感元件[1]，此后FBG作為一種新型的光纖無源器件，在傳感領域受到廣泛的關注。FBG具有耐高溫、抗干擾能力強、耐腐蝕、體積小、重量輕、靈活方便、壽命長等優點[2-4]。但是裸光柵非常脆弱，實際工程應用中需要根據具體的工作環境和測量要求對其進行適當封裝。常見的封裝形式有貼片封裝[5]、管式封裝[6]、盒式封裝[7]等。金屬管式封裝形式具有結構緊湊、強度高、導熱快、體積小、布設方便等優勢，雖然該封裝方式早有報道，但封裝工藝對應變不敏感的FBG傳感器溫敏特性的影響還鮮見報道[8]。
溫度作為最常見的物理量，FBG用于溫度傳感領域的實際應用價值和前景具有非常明顯的優勢[9-12]。本文分別討論了單端和雙端兩種金屬管式封裝方案，制作了單端探頭式FBG溫度傳感器和雙端管式增敏型FBG溫度傳感器，并對兩種FBG傳感器的溫度特性進行實驗研究，兩者均表現出應力應變不敏感特性。本研究有助于金屬型管式封裝FBG溫度傳感器的優化及性能的進一步提高，改善FBG傳感器的溫度傳感特性。
1 FBG的封裝形式
本文設計了兩種不同方案對FBG進行封裝，兩種FBG溫度傳感器的封裝結構如圖1所示。對于探頭式保護型封裝，選用外徑5 mm、內徑4 mm、長50 mm的毛細鋼管作為保護套管，其材質為304不銹鋼。為了將光柵固定在不銹鋼套管軸心位置，選用尺寸45 mm×3.5 mm×1 mm的銅片作為支撐件來固定光柵。FBG、支撐件銅片以及不銹鋼套管使用前均要清潔處理，采用無水乙醇擦拭，超聲清洗后晾干備用。封裝前將環氧樹脂AB雙組份膠按比例混合調勻，靜置10 min至氣泡消失。將FBG的一端用環氧樹脂膠固定于銅片上，另一端為自由端，再將銅片放入不銹鋼套管中，保證銅片位于不銹鋼套管中心位置，其余部分用導熱硅脂填充，最后兩端再用環氧樹脂膠密封，封裝而成的探頭式溫度傳感器如圖1(a)所示。該封裝形式既合理地保護了光纖光柵，又保證了溫度的快速傳遞。封裝后的光柵Bragg中心波長為1 530.036 nm，與自然狀態中心波長一致。因FBG的一端始終為自由端，保證光柵處于自然松弛狀態，避免了外界應力對其產生影響。
FBG的保護型封裝雖然可對溫度進行有效測量，但由于FBG本身熱膨脹系數小，導致此類FBG傳感器的溫度靈敏度不高。為了進一步提高其溫度靈敏度系數，采用下述的管式增敏型封裝。選擇外徑3 mm、長45 mm的實心鈹青銅柱，并在其表面刻蝕出長45 mm、寬1.5 mm、深1.5 mm的凹槽，將FBG固定于凹槽中心位置。為防止膠固化不均勻所導致的光柵啁啾現象，用環氧樹脂封裝FBG時須對FBG施加一定預緊力。將埋有FBG的銅柱放入不銹鋼套管的內部，保持其處于不銹鋼套管中心位置，并用導熱硅脂充分填充于銅柱和不銹鋼管間的空隙。最后在不銹鋼管兩端套入硅膠保護套，并用環氧樹脂膠將其密封，所得管式增敏型溫度傳感器如圖1(b)所示。所使用光柵的初始Bragg中心波長為1 548.907 nm，封裝后中心波長變為1 548.890 nm，可見封裝時施加的預緊力很好地抵消掉了環氧樹脂膠固化過程中的內部應力，將封裝前后Bragg中心波長的變化盡可能做到最小。將上述兩種封裝好的FBG傳感器放入電熱式鼓風干燥箱內進行熱退火處理，目的在于充分釋放環氧樹脂膠固化過程中所形成的內部殘余應力。
2 傳感原理與實驗結果分析
2.1 傳感原理
根據光纖耦合模理論，當一束寬帶光入射到FBG上時，滿足Bragg條件的一部分光束會被反射回去。該光束的中心波長稱為光纖Bragg中心波長，記為λB，其基本表達式為：
對于純石英光纖，α~0.55×10-6/℃，ξ~6.67×10-6/℃。Bragg中心波長為1 530 nm的光柵的溫度靈敏度系數KT約為11.05 pm/℃。但是由于光纖制作工藝與光柵寫入工藝以及熱退火工藝的不同，裸光柵對溫度敏感特性也有所差別。
2.2 實驗儀器與標定過程
兩個FBG溫度傳感器的溫度標定實驗裝置如圖2所示。實驗中所用的信號采集與檢測設備為Bayspec公司的光纖光柵解調儀，其波長范圍為1 525~1 565 nm，波長分辨率為1 pm。將上述兩種FBG傳感器放置于電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG-9503A）中，該控溫箱的溫度測量精度為0.1 ℃。寬帶光源發出的光經由端口1進入環行器，經過端口2入射到兩個FBG傳感器上，經其反射后的光束再次經過端口2，最終從端口3出射后進入到解調模塊中。
溫度標定實驗采用逐步升溫再逐步降溫的方法，將兩個光纖光柵敏感元件放置于恒溫鼓風干燥箱中。恒溫鼓風干燥箱的控溫范圍為40 ℃～80 ℃。升溫標定實驗以40 ℃為溫度變化初始點，每5 ℃為一個溫度變化單位，待恒溫鼓風干燥箱當前溫度顯示值足夠穩定后，記錄該溫度點所對應的Bragg中心波長數據，直至升溫到80 ℃。降溫標定實驗按照同樣步驟從80 ℃逐步降溫至40 ℃。如此反復進行6次循環實驗，所封裝FBG沒有出現封裝裂紋、老化脫落等問題。由于篇幅原因，原始實驗數據列表省略。
2.3 實驗結果和分析
探頭式保護型封裝的FBG溫度傳感器在40 ℃～80 ℃內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，線性相關系數為0.999 91，其波長與溫度的線性擬合方程為：
探頭式保護型封裝FBG溫度傳感器的溫度靈敏度系數平均值為9.86 pm/℃。盡管其溫度靈敏度系數與裸光柵一致，但其出色的線性擬合度保證了在實際應用中對溫度測量的準確性。單端探頭式保護封裝工藝簡單，制作快捷，方便大批量生產且易于保證每支傳感器的一致性。
管式增敏封裝的FBG溫度傳感器在40 ℃～80 ℃時中心波長隨溫度變化的曲線如圖4所示。圖4(a)為升溫曲線，線性相關系數為0.999 21，其波長與溫度的線性擬合方程為：
管式增敏封裝FBG溫度傳感器的溫度靈敏系數平均值為29.97 pm/℃，達到裸光柵相應值的3倍左右。對比圖3與圖4可以看出，增敏封裝的線性擬合度有所下降，但仍能滿足高于0.999的要求。提高靈敏度系數的同時保證線性擬合度是至關重要的，經分析，改變封裝方式而降低的線性擬合度可能是以下幾個方面造成的：
(1)鈹青銅柱本身質地不均勻，內部雜質的不均勻分布造成其受熱膨脹體積變化不勻稱；
(2)環氧樹脂膠填涂不均勻，固化后體積不勻稱造成溫度變化時光柵各部分受力不勻稱；
(3)膠體本身仍有氣泡或者涂膠過程中引入氣泡，氣泡本身會吸收一部分由熱脹冷縮產生的內部應力，使其不能很好地作用在光纖光柵上。
以上問題的存在均會引起Bragg中心波長的數值變化，從而導致FBG傳感器線性擬合度下降。
探頭式保護型封裝FBG溫度傳感器在每個溫度測量點的Bragg中心波長與該點波長平均值相差最大為3 pm，表明重復性良好，如圖5所示。
管式增敏封裝FBG溫度傳感器在每個溫度測量點的Bragg中心波長與該點波長平均值相差最大為11 pm，除此以外上述波長差值均在8 pm之內，如圖6所示。這說明，隨著FBG傳感器的溫度靈敏度的提升，在同條件下感知溫度波動的能力有相應提高。
對于某種已封裝好的FBG溫度傳感器，其測溫精度和分辨率取決于所用的解調設備。本文中所采用Bayspec解調儀的分辨率為1 pm，精度為7 pm。因此，探頭式保護型封裝FBG傳感器的溫度分辨率和精度分別為0.101 42 ℃和0.709 94 ℃；管式增敏封裝FBG傳感器的溫度分辨率和精度分別為0.033 37 ℃和0.233 57 ℃。
上述兩種FBG溫度傳感器在溫度保持不變情況下，通過人為施加一定外部應力，其Bragg中心波長并未觀測到漂移，這表明兩種管式封裝的FBG傳感器在一定范圍內均對應力應變不敏感。
3 結論
本文采用保護封裝和增敏封裝方式，制作了兩款管式FBG溫度傳感器。在40 ℃～80 ℃溫度區間研究了它們的溫度特性，其溫度靈敏系數分別為9.86 pm/℃和29.97 pm/℃，保護封裝FBG傳感器的溫度分辨率為0.101 42℃，精度為0.709 94 ℃；增敏封裝FBG傳感器的溫度分辨率為0.033 37 ℃，精度為0.233 57 ℃。兩者的線性擬合度均達到0.999以上。實驗表明，兩款FBG 傳感器重復性良好，且無遲滯現象，完全可用于實際工程中，擁有廣闊的應用前景。
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