呂京生，張發(fā)祥，趙強(qiáng)，姜劭棟，張曉磊，王昌*

(1. 山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014；2. 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266061)

【光纖與光子傳感技術(shù)】

高響應(yīng)速度光纖光柵海洋溫度傳感器設(shè)計與仿真研究

呂京生1，張發(fā)祥1，趙強(qiáng)2，姜劭棟1，張曉磊1，王昌1*

(1. 山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014；2. 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266061)

設(shè)計了一種適合海洋拋棄式測量的高速響應(yīng)光纖光柵溫度傳感器。通過對傳感器的溫度靈敏度的理論分析，采用有限元方法對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)傳感器的響應(yīng)時間進(jìn)行了仿真和對比分析，設(shè)計了一種響應(yīng)時間為17 ms的傳感器，其靈敏度理論值可以達(dá)到30.7 pm/℃，適用于海洋溫度快速測量。

光纖光柵；海洋溫度傳感器；快速響應(yīng)；仿真

船只走航過程中，利用拋棄式儀器獲得海洋參數(shù)是海洋調(diào)查的重要手段。拋棄式儀器具有經(jīng)濟(jì)性、便捷性的優(yōu)勢，在測量時間有限的場合有著特殊的作用[1-3]。當(dāng)使用拋棄式儀器進(jìn)行海水剖面測量時，要求傳感器具有快速的響應(yīng)，以減小測量誤差。海洋水文微細(xì)結(jié)構(gòu)的研究，諸如水團(tuán)邊界的相互疊置、不同水層的溫度梯度等等，也要求測溫傳感器具有快速時間響應(yīng)，以便掌握其分布變化規(guī)律[1]。

目前，美國、加拿大和日本等少數(shù)幾個國家可制造時間常數(shù)達(dá)到60～70 ms的海洋剖面測量用溫度傳感器，如美國海鳥SBE系列溫度傳感器，響應(yīng)時間為65 ms。目前國內(nèi)采用熱敏電阻研制的溫度傳感器，響應(yīng)時間為100 ms左右[4-5]，國產(chǎn)走航式海洋參數(shù)測量采用此類溫度傳感器，由于滯后時間導(dǎo)致存在較大測量誤差[6]，提高傳感器的響應(yīng)速度，對改善測量精度具有重要意義。

光纖布拉格光柵(FBG)溫度傳感器具有體積小、精度高和抗腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，由于采用光纖作為溫度敏感元件，直徑只有125 μm，通過合理封裝結(jié)構(gòu)，有望在溫度測量時迅速達(dá)到熱平衡，實(shí)現(xiàn)更高的響應(yīng)速度。柳翔等[7]研究表明，由于光纖與介質(zhì)熱交換的遲滯性，采用裸光纖直接測量溫度并不能獲得較高的響應(yīng)速度，而將光纖與金屬耦合可以大幅提高測溫的響應(yīng)速度。張登攀等[8]研究了采用金屬管封裝FBG溫度傳感器，響應(yīng)時間達(dá)到了47.1 ms，較傳統(tǒng)的溫度傳感器有較大提高。

本文設(shè)計了兩種FBG溫度傳感器，通過仿真，確定了一種響應(yīng)時間達(dá)到20 ms 以內(nèi)的FBG傳感器結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步提高FBG溫度傳感器的響應(yīng)速度提供了一種可行方案。

1 傳感器設(shè)計

采用金屬結(jié)構(gòu)對FBG進(jìn)行封裝，以提高溫度靈敏度，保護(hù)FBG不受外界破壞。針對高響應(yīng)速度的應(yīng)用要求，設(shè)計了兩種金屬管封裝結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中，圖1a為金屬套管封裝結(jié)構(gòu)，采用高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬套管作為保護(hù)殼體，既能夠快速導(dǎo)熱，又能對FBG進(jìn)行保護(hù)。FBG兩端通過低溫玻璃焊料，與兩個匹配金屬管連接，匹配金屬管外徑與金屬套管內(nèi)徑緊密配合，并通過焊接連接在一起。金屬套管內(nèi)填充導(dǎo)熱液體，提高熱傳遞速度。圖1b為金屬外層直接封裝結(jié)構(gòu)，即在金屬棒上切割縱向微槽，將FBG放入微槽，兩端通過玻璃焊料與金屬棒連接，然后進(jìn)行整體電鍍，將微槽填充，并將FBG通過電鍍層與金屬棒耦合。

圖1 兩種FBG溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the FBG temperature sensor

對于金屬套管封裝結(jié)構(gòu)的傳感器，由于金屬材料的熱膨脹系數(shù)一般遠(yuǎn)大于光纖材料的膨脹系數(shù)，當(dāng)溫度增加時，金屬管發(fā)生膨脹，同時填充液體膨脹，導(dǎo)致與之連接的FBG發(fā)生軸向應(yīng)變，引起布拉格波長的變化，達(dá)到增敏作用。因為液體的可壓縮性遠(yuǎn)大于固體，發(fā)生膨脹時導(dǎo)致FBG發(fā)生軸向應(yīng)變非常微小，本文忽略液體膨脹的影響。

對于金屬外層直接封裝結(jié)構(gòu)的傳感器，當(dāng)溫度增加時，金屬層膨脹，帶動與之耦合的FBG產(chǎn)生軸向應(yīng)變，引起布拉格波長變化，達(dá)到增敏目的。

比較兩種結(jié)構(gòu)，金屬套管封裝結(jié)構(gòu)的傳感器制作相對簡單，封裝結(jié)構(gòu)通過兩端與FBG連接，不會對柵區(qū)造成影響。金屬外層直接封裝結(jié)構(gòu)式傳感器由于FBG柵區(qū)布放與封裝材料耦合，在受力不均勻時容易產(chǎn)生啁啾，因此，對工藝要求較高。

2 理論分析與仿真

2.1 傳感器溫度靈敏度的理論分析

FBG溫度傳感器利用FBG的布拉格波長對溫度和應(yīng)變敏感的原理，通過檢測波長變化還原溫度信息。FBG的波長變化Δλ對溫度ΔT和應(yīng)變εT同時響應(yīng)的公式為[9]

(1)

其中，λB為布拉格波長，取1 550 nm，α=5.5×10-7℃-1為FBG的線膨脹系數(shù)，ζ=6.4×10-6℃-1為FBG的熱光系數(shù)，pe=0.22為有效彈光系數(shù)。

對于本文提到的兩種結(jié)構(gòu)的傳感器，當(dāng)溫度變化時，F(xiàn)BG隨封裝結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，應(yīng)變?yōu)?/p>

εT=(α0-α)ΔT，

(2)

其中，α0為封裝材料的線膨脹系數(shù)。將其帶入(1)式，可得到傳感器的溫度靈敏度

(3)

對于采用銅管封裝的傳感器，α0=17×10-6℃-1，根據(jù)(3)式，可得傳感器靈敏度為30.7 pm/℃。

2.2 傳感器響應(yīng)時間的有限元模擬

對于溫度變化時傳感器的響應(yīng)問題，由于FBG波長對溫度和應(yīng)變變化的響應(yīng)速度可能不同，因此，(3)式改寫為

(4)

其中，k1為FBG的溫度響應(yīng)函數(shù)，k2為FBG的應(yīng)變響應(yīng)函數(shù)。通過有限元方法，模擬得到響應(yīng)函數(shù)，可進(jìn)一步通過(4)式，得到傳感器溫度響應(yīng)速度曲線。

在有限元建模時，考慮到傳感器結(jié)構(gòu)為細(xì)長型結(jié)構(gòu)，剖面具有對稱性，忽略兩端的溫度響應(yīng)影響，簡化為二維模型，如圖2所示。其中，金屬套管封裝結(jié)構(gòu)的傳感器，采用外徑3 mm，內(nèi)徑2 mm的銅管，填充材料為水銀，光纖直徑125 μm；金屬外層直接封裝結(jié)構(gòu)的傳感器，采用外徑3 mm的銅管材料。模擬得到的響應(yīng)時間如圖3、圖4所示。

圖2 傳感器的有限元模型Fig.2 Finite element model of the sensor

圖3 金屬套管封裝結(jié)構(gòu)的傳感器的仿真曲線Fig.3 Simulated results of the metal tube packaged sensor

圖3a為金屬套管封裝結(jié)構(gòu)的傳感器溫度響應(yīng)系數(shù)的仿真結(jié)果，其中，虛線為銅管內(nèi)壁的溫度響應(yīng)系數(shù)，實(shí)線為光纖線芯的溫度響應(yīng)系數(shù)?？梢姡~管層的溫度響應(yīng)較為迅速，在10 ms內(nèi)達(dá)到平衡溫度，而溫度傳遞到光纖所需時間較長，超過50 ms才能達(dá)到平衡。圖3b為根據(jù)(4)式得到的金屬套管封裝結(jié)構(gòu)的傳感器溫度響應(yīng)，以達(dá)到平衡溫度的90%作為響應(yīng)時間標(biāo)準(zhǔn)，傳感器的響應(yīng)時間為38 ms。

圖4 金屬外層直接封裝結(jié)構(gòu)的傳感器的仿真曲線Fig.4 Simulated results of the metal layer packaged sensor

圖4a為金屬外層直接封裝結(jié)構(gòu)的傳感器溫度響應(yīng)系數(shù)的仿真結(jié)果，其中，虛線為銅管內(nèi)壁的溫度響應(yīng)系數(shù)，實(shí)線為光纖線芯的溫度響應(yīng)系數(shù)?？梢?，銅管層的溫度響應(yīng)與光纖基本一致，在20 ms內(nèi)迅速達(dá)到平衡。圖4b為根據(jù)(4)式得到的金屬外層直接封裝結(jié)構(gòu)的傳感器溫度響應(yīng)系數(shù)，以達(dá)到平衡溫度的90%作為響應(yīng)時間標(biāo)準(zhǔn)，傳感器的響應(yīng)時間為17 ms。

本文還仿真了不同填充材料金屬套管封裝結(jié)構(gòu)的傳感器溫度響應(yīng)，如圖5所示。其中，實(shí)線表示填充材料為水，虛線表示填充材料為熱導(dǎo)率為2 W/(m·K)的導(dǎo)熱硅脂。可見，采用水做填充材料，F(xiàn)BG波長變化迅速，到達(dá)一定值之后繼續(xù)緩慢變化，傳感器達(dá)到熱平衡的時間大于4 s，這表明金屬套管首先迅速達(dá)到熱平衡，并膨脹引起FBG波長變化，然而由于水的導(dǎo)熱性較差，光纖達(dá)到熱平衡的時間較長，從而導(dǎo)致FBG波長繼續(xù)緩慢變化；而采用導(dǎo)熱硅脂填充，傳感器達(dá)到熱平衡的時間也超過200 ms，均不能滿足快速測量的需要?？梢姡x擇一種高導(dǎo)熱系數(shù)的填充材料，對縮短傳感器的響應(yīng)時間，具有重要價值。

圖5 不同填充材料金屬套管封裝結(jié)構(gòu)的傳感器溫度響應(yīng)Fig.5 Simulated temperature response of the metal tube packaged sensor with different fillers

由上述仿真可見，金屬外層直接封裝結(jié)構(gòu)式傳感器比金屬套管封裝結(jié)構(gòu)的傳感器具有更高的響應(yīng)速度。采用液態(tài)水銀盡管具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，能夠縮短傳感器的響應(yīng)時間，但是考慮到液態(tài)水銀容易污染環(huán)境，在實(shí)際制作中需要尋找高導(dǎo)熱系數(shù)的環(huán)保型介質(zhì)。綜合以上考慮，采用金屬外層直接封裝結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化制作工藝，控制電鍍均勻度，制作出高質(zhì)量、高響應(yīng)速度的溫度傳感器，將會在海洋溫度快速測量領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

考慮到傳感器工作環(huán)境的惡劣性，本文進(jìn)一步評估海水靜壓產(chǎn)生的應(yīng)力對溫度的影響。為此，建立金屬外層直接封裝結(jié)構(gòu)的三維模型如圖6所示，對模型表面施加1 MPa的分布壓力載荷，并利用(1)式，得到光纖光柵的波長變化為3.3 pm。對比傳感器的溫度靈敏度理論結(jié)果，可得每100 m水深(約1 MPa靜壓)產(chǎn)生的等效溫度誤差為0.11 ℃。對于對溫度精度要求更高的測量方案，可通過溫度壓力聯(lián)合測量的方式，補(bǔ)償靜水壓對溫度傳感器造成的影響。

圖6 傳感器的三維有限元模型Fig.6 3D finite element model of the sensor

3 結(jié)論

本文設(shè)計了金屬管封裝結(jié)構(gòu)的FBG溫度傳感器，針對海洋溫度快速測量應(yīng)用要求，進(jìn)行了靈敏度的理論分析和響應(yīng)時間的有限元仿真。比較了兩種結(jié)構(gòu)及不同填充材料的FBG溫度傳感器的響應(yīng)時間，得到了一種響應(yīng)時間達(dá)到17 ms的傳感器設(shè)計，證明了通過金屬外層直接封裝獲得高響應(yīng)速度的溫度傳感器的理論可行性，可適用于拋棄式海洋溫度測量。下一步工作將優(yōu)化傳感器制作工藝，選擇合適的材料，制作傳感器樣品并進(jìn)行測試，以進(jìn)一步推進(jìn)該設(shè)計的工程化應(yīng)用。

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Design and simulation of FBG based rapid response ocean temperature sensors

Lü Jing-sheng1, ZHANG Fa-xiang1, ZHAO Qiang2, JIANG Shao-Dong1,ZHANG Xiao-lei1, WANG Chang1*

(1. Laser institute, Shandong Academy of Science, Jinan 250014, China; 2. Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266061, China)

∶Based on fiber Bragg grating (FBG), a rapid response temperature sensor suitable for marine disposable measurement was designed in this paper. The temperature sensitivity of the sensor was calculated by theory, and the response time of the sensor with different structural parameters was simulated and analyzed using the finite element method. A sensor with response time 17 ms was designed, and its theoretical sensitivity was calculated to be 30.7 pm/℃. This sensor is suitable for rapid measurement of ocean temperature.

∶FBG；ocean temperature sensor；rapid response；simulation

2016-04-20

山東省科技發(fā)展計劃(2014GGX103005，2014GSF120017，2015GSF115006)

呂京生(1980—)，男，助理研究員，研究方向為光纖傳感器及其工程化。

*通信作者。E-mail：13869101310@163.com

TN253

A

1002-4026(2017)02-0059-05