浅谈管式光纤光栅温度传感器封装与传感特性研究

0 引言

1989年，Morey首次报道将光纤Bragg光栅（fiber Bragg grating, FBG）用作传感元件[1]，此后FBG作为一种新型的光纤无源器件，在传感领域受到广泛的关注。FBG具有耐高温、抗干扰能力强、耐腐蚀、体积小、重量轻、灵活方便、寿命长等优点[2-4]。但是裸光栅非常脆弱，实际工程应用中需要根据具体的工作环境和测量要求对其进行适当封装。常见的封装形式有贴片封装[5]、管式封装[6]、盒式封装[7]等。金属管式封装形式具有结构紧凑、强度高、导热快、体积小、布设方便等优势，虽然该封装方式早有报道，但封装工艺对应变不敏感的FBG传感器温敏特性的影响还鲜见报道[8]。

温度作为最常见的物理量，FBG用于温度传感领域的实际应用价值和前景具有非常明显的优势[9-12]。本文分别讨论了单端和双端两种金属管式封装方案，制作了单端探头式FBG温度传感器和双端管式增敏型FBG温度传感器，并对两种FBG传感器的温度特性进行实验研究，两者均表现出应力应变不敏感特性。本研究有助于金属型管式封装FBG温度传感器的优化及性能的进一步提高，改善FBG传感器的温度传感特性。

1 FBG的封装形式

本文设计了两种不同方案对FBG进行封装，两种FBG温度传感器的封装结构如图1所示。对于探头式保护型封装，选用外径5 mm、内径4 mm、长50 mm的毛细钢管作为保护套管，其材质为304不锈钢。为了将光栅固定在不锈钢套管轴心位置，选用尺寸45 mm×3.5 mm×1 mm的铜片作为支撑件来固定光栅。FBG、支撑件铜片以及不锈钢套管使用前均要清洁处理，采用无水乙醇擦拭，超声清洗后晾干备用。

封装前将环氧树脂AB双组份胶按比例混合调匀，静置10 min至气泡消失。将FBG的一端用环氧树脂胶固定于铜片上，另一端为自由端，再将铜片放入不锈钢套管中，保证铜片位于不锈钢套管中心位置，其余部分用导热硅脂填充，最后两端再用环氧树脂胶密封，封装而成的探头式温度传感器如图1(a)所示。该封装形式既合理地保护了光纤光栅，又保证了温度的快速传递。封装后的光栅Bragg中心波长为1 530.036 nm，与自然状态中心波长一致。因FBG的一端始终为自由端，保证光栅处于自然松弛状态，避免了外界应力对其产生影响。

FBG的保护型封装虽然可对温度进行有效测量，但由于FBG本身热膨胀系数小，导致此类FBG传感器的温度灵敏度不高。为了进一步提高其温度灵敏度系数，采用下述的管式增敏型封装。选择外径3 mm、长45 mm的实心铍青铜柱，并在其表面刻蚀出长45 mm、宽1.5 mm、深1.5 mm的凹槽，将FBG固定于凹槽中心位置。为防止胶固化不均匀所导致的光栅啁啾现象，用环氧树脂封装FBG时须对FBG施加一定预紧力。

将埋有FBG的铜柱放入不锈钢套管的内部，保持其处于不锈钢套管中心位置，并用导热硅脂充分填充于铜柱和不锈钢管间的空隙。最后在不锈钢管两端套入硅胶保护套，并用环氧树脂胶将其密封，所得管式增敏型温度传感器如图1(b)所示。所使用光栅的初始Bragg中心波长为1 548.907 nm，封装后中心波长变为1 548.890 nm，可见封装时施加的预紧力很好地抵消掉了环氧树脂胶固化过程中的内部应力，将封装前后Bragg中心波长的变化尽可能做到最小。将上述两种封装好的FBG传感器放入电热式鼓风干燥箱内进行热退火处理，目的在于充分释放环氧树脂胶固化过程中所形成的内部残余应力。

2 传感原理与实验结果分析

2.1 传感原理

根据光纤耦合模理论，当一束宽带光入射到FBG上时，满足Bragg条件的一部分光束会被反射回去。该光束的中心波长称为光纤Bragg中心波长，记为λB，其基本表达式为：

对于纯石英光纤，α~0.55×10-6/℃，ξ~6.67×10-6/℃。Bragg中心波长为1 530 nm的光栅的温度灵敏度系数KT约为11.05 pm/℃。但是由于光纤制作工艺与光栅写入工艺以及热退火工艺的不同，裸光栅对温度敏感特性也有所差别。

2.2 实验仪器与标定过程

两个FBG温度传感器的温度标定实验装置如图2所示。实验中所用的信号采集与检测设备为Bayspec公司的光纤光栅解调仪，其波长范围为1 525~1 565 nm，波长分辨率为1 pm。将上述两种FBG传感器放置于电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9503A）中，该控温箱的温度测量精度为0.1 ℃。宽带光源发出的光经由端口1进入环行器，经过端口2入射到两个FBG传感器上，经其反射后的光束再次经过端口2，最终从端口3出射后进入到解调模块中。

温度标定实验采用逐步升温再逐步降温的方法，将两个光纤光栅敏感元件放置于恒温鼓风干燥箱中。恒温鼓风干燥箱的控温范围为40 ℃～80 ℃。升温标定实验以40 ℃为温度变化初始点，每5 ℃为一个温度变化单位，待恒温鼓风干燥箱当前温度显示值足够稳定后，记录该温度点所对应的Bragg中心波长数据，直至升温到80 ℃。降温标定实验按照同样步骤从80 ℃逐步降温至40 ℃。如此反复进行6次循环实验，所封装FBG没有出现封装裂纹、老化脱落等问题。由于篇幅原因，原始实验数据列表省略。

2.3 实验结果和分析

探头式保护型封装的FBG温度传感器在40 ℃～80 ℃内中心波长随温度变化的曲线如图3所示。图3(a)为升温曲线，线性相关系数为0.999 91，其波长与温度的线性拟合方程为：

探头式保护型封装FBG温度传感器的温度灵敏度系数平均值为9.86 pm/℃。尽管其温度灵敏度系数与裸光栅一致，但其出色的线性拟合度保证了在实际应用中对温度测量的准确性。单端探头式保护封装工艺简单，制作快捷，方便大批量生产且易于保证每支传感器的一致性。

管式增敏封装的FBG温度传感器在40 ℃～80 ℃时中心波长随温度变化的曲线如图4所示。图4(a)为升温曲线，线性相关系数为0.999 21，其波长与温度的线性拟合方程为：

管式增敏封装FBG温度传感器的温度灵敏系数平均值为29.97 pm/℃，达到裸光栅相应值的3倍左右。对比图3与图4可以看出，增敏封装的线性拟合度有所下降，但仍能满足高于0.999的要求。提高灵敏度系数的同时保证线性拟合度是至关重要的，经分析，改变封装方式而降低的线性拟合度可能是以下几个方面造成的：

(1)铍青铜柱本身质地不均匀，内部杂质的不均匀分布造成其受热膨胀体积变化不匀称；

(2)环氧树脂胶填涂不均匀，固化后体积不匀称造成温度变化时光栅各部分受力不匀称；

(3)胶体本身仍有气泡或者涂胶过程中引入气泡，气泡本身会吸收一部分由热胀冷缩产生的内部应力，使其不能很好地作用在光纤光栅上。

以上问题的存在均会引起Bragg中心波长的数值变化，从而导致FBG传感器线性拟合度下降。

探头式保护型封装FBG温度传感器在每个温度测量点的Bragg中心波长与该点波长平均值相差最大为3 pm，表明重复性良好，如图5所示。

管式增敏封装FBG温度传感器在每个温度测量点的Bragg中心波长与该点波长平均值相差最大为11 pm，除此以外上述波长差值均在8 pm之内，如图6所示。这说明，随着FBG传感器的温度灵敏度的提升，在同条件下感知温度波动的能力有相应提高。

对于某种已封装好的FBG温度传感器，其测温精度和分辨率取决于所用的解调设备。本文中所采用Bayspec解调仪的分辨率为1 pm，精度为7 pm。因此，探头式保护型封装FBG传感器的温度分辨率和精度分别为0.101 42 ℃和0.709 94 ℃；管式增敏封装FBG传感器的温度分辨率和精度分别为0.033 37 ℃和0.233 57 ℃。

上述两种FBG温度传感器在温度保持不变情况下，通过人为施加一定外部应力，其Bragg中心波长并未观测到漂移，这表明两种管式封装的FBG传感器在一定范围内均对应力应变不敏感。

3 结论

本文采用保护封装和增敏封装方式，制作了两款管式FBG温度传感器。在40 ℃～80 ℃温度区间研究了它们的温度特性，其温度灵敏系数分别为9.86 pm/℃和29.97 pm/℃，保护封装FBG传感器的温度分辨率为0.101 42℃，精度为0.709 94 ℃；增敏封装FBG传感器的温度分辨率为0.033 37 ℃，精度为0.233 57 ℃。两者的线性拟合度均达到0.999以上。实验表明，两款FBG 传感器重复性良好，且无迟滞现象，完全可用于实际工程中，拥有广阔的应用前景。

参考文献

[1] LEE B.Review of the present status of optical fiber sensors[J].Optical Fiber Technology，2003，9(2)：57-79.

[2] YOFFE G W，KRUG P A，OUELLETTE F，et al.Passive temperature-compensating package for optical fiber gratings[J].Applied Optics，1995，34(30)：6859-6861.

[3] 郭明金，姜德生，袁宏才.两种封装的光纤光栅温度传感器的低温特性[J].光学精密工程，2007，15(3)：326-330.

[4] DONG B，ZHAO Q，ZHAO L，et al.Simultaneous measurement of temperature and force based on a special-strainfunction-chirped FBG[J].Sensors and Actuators A：Physical，2008，147(1)：169-172.

[5] 于秀娟，余有龙，张敏，等.钛合金片封装光纤光栅传感器的应变和温度传感特性研究[J].光电子·激光，2006，17(5)：564-567.

[6] 周智，王赫喆，欧进萍.无外力影响光纤Bragg光栅封装温度传感器[J].传感器与微系统，2006，25(3)：57-60.

[7] 胡家艳，江山.光纤光栅传感器的应力补偿及温度增敏封装[J].光电子·激光，2006，17(3)：311-313.

[8] 余有龙，李德明，张林.金属管封装光纤光栅温度传感器特性的实验研究[J].黑龙江大学自然科学学报，2011，28(5)：737-740.

[9] MIZUNAMI T，TATEHATA H，KAWASHIMA H.High-sensitivity cryogenic fiber-Bragg-grating temperature sensors using Teflon substrates[J].Measurement Science and Technology，2001，12(7)：914-917.

[10] 张燕君，王海宝，陈泽贵，等.光纤光栅毛细钢管封装工艺及其传感特性研究[J].激光与红外，2009，39(1)：53-55.

[11] SAIDI REDDY P，SAI PRASAD R L N，SRIMANNARAYANA K，et al.A novel method for high temperature measurements using fiber Bragg grating sensor[J].Optica Applicata，2010，XL(3)：685-692.

[12] 陈曦，姚建铨，陈慧.光纤光栅温度应变同时测量传感技术研究进展[J].传感器与微系统，2013，32(9)：1-5.

[13] HILL K O，MELTZ G.Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview[J].Journal of Lightwave Technology，1997，15(8)：1263-1276.
编辑：jq