楊才千，文 峰，周 正，楊 寧，姚 遠(yuǎn)，李 帥

（1．東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2．湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105；3．山東航天電子技術(shù)研究所，山東 煙臺 264670）

引言

航天載人飛行器等裝置普遍在低溫、強輻射等惡劣的環(huán)境下服役。其中，航天器在低溫環(huán)境下的溫度傳感精度和適用性的需求隨之提高。光纖布拉格光柵（FBG）表現(xiàn)出高精度、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、體積小、重量輕等特點，同時具有良好的溫度適用性及應(yīng)變敏感性等優(yōu)點。因此，光纖光柵傳感器類新型傳感技術(shù)在該領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

然而，近年的研究與應(yīng)用過程中可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)無封裝FBG元件存在易受外界因素擾動、抗彎性能差、易折斷等不足。同時，Reid等[1]發(fā)現(xiàn)裸FBG的波長與溫度（4.2～350 K）之間呈非線性關(guān)系。張紅潔等[2]發(fā)現(xiàn)無涂覆層FBG在液氦和液氮沸點過渡區(qū)間（50～77 K）波長偏移量呈現(xiàn)顯著波動特征。因此，對于該類光纖光柵合理有效的封裝，是提高其穩(wěn)定性及可靠性關(guān)鍵課題之一。常見的光纖光柵封裝形式有基片式、管式及其組合形式等[3]。其中，管式封裝是通過各種形式將光纖光柵用粘膠劑固定在金屬管內(nèi)，利用金屬管良好的強度及剛度實現(xiàn)對FBG的保護作用，防止外部荷載及作用出現(xiàn)斷裂。因此管式封裝可有效提高溫度傳感器耐久性及可靠性。甘望等[4]提出了雙頭管式封裝概念，發(fā)現(xiàn)在313～353 K內(nèi)波長與溫度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。但雙頭管式封裝傳感器在特殊極端低溫下傳感特性及可行性探究尚不充分。

因此，本文設(shè)計并改進了一種FBG雙頭管式封裝結(jié)構(gòu)的低溫傳感器。利用液氮提供低溫環(huán)境（77 ～273 K），探究其在低溫環(huán)境下中心波長變化規(guī)律及其靈敏度。同時，進一步研究涂覆層、封裝長度對FBG的波長變化量影響規(guī)律。所提出的改進方法及封裝方式為低溫監(jiān)測領(lǐng)域光纖光柵類傳感器應(yīng)用提供一定參考。

1 傳感器的設(shè)計及工作原理

1.1 FBG 傳感原理

光纖布拉格光柵是利用光纖材料光敏性在纖芯形成空間相位光柵，屬于一種反射型光纖傳感器，僅反射某個特定波長附近的窄帶光波，布拉格反射條件微分表達式為[5]

式中： λB為反射光譜中心波長；neff為纖芯平均有效折射率；Λ為光柵周期[6]；當(dāng)FBG所處位置的應(yīng)變場或溫度場變化時，反射光譜中心波長會隨之改變。

當(dāng)FBG僅受應(yīng)力作用時， Λ 、neff與柵區(qū)所受應(yīng)變ε關(guān)系分別為

式中Pe為光纖彈光系數(shù)。

當(dāng)FBG僅受溫度作用時， Λ 、neff與溫度T的關(guān)系分別為

式中： α1為纖芯熱膨脹系數(shù)； ξ 為熱光系數(shù)。

由于FBG對溫度和應(yīng)變之間存在關(guān)聯(lián)性。即使僅存在溫度場變化條件下的波長漂移，測試結(jié)果仍為其共同作用下的合漂移量[7]。當(dāng)光纖光柵傳感器同時受溫度與應(yīng)變作用時，反射光譜中心波長漂移量 Δ λB與應(yīng)變 Δ ε 和溫度變化 ΔT之間的關(guān)系為

當(dāng)溫度發(fā)生變化時，封裝材料的熱膨脹系數(shù)α 及溫度應(yīng)變 Δ ε 表示為

式中L為封裝材料的初始長度。

當(dāng)采用雙頭管式進行封裝時，F(xiàn)BG會因為封裝材料、封裝長度等因素出現(xiàn)溫度和應(yīng)變相互關(guān)聯(lián)現(xiàn)象。將式（7）和式（8）代入式（6），可得到波長漂移量 Δ λB為

由式（9）可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BG的波長變化量 ΔλB與L成正比關(guān)系，通過增加L能夠有效地提高FBG波長漂移量和傳感器的靈敏度。

1.2 傳感器構(gòu)造形式

對于材料相同的套管，管壁越薄時熱量傳導(dǎo)路徑越短，則傳感器的響應(yīng)速度和精度更為準(zhǔn)確[8]。本文采用如圖1所示雙頭管式封裝結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為毛細(xì)管式封裝，具有響應(yīng)速度較快和測溫精度較高等優(yōu)點。采用熱膨脹系數(shù)較大的材質(zhì)304不銹鋼做套管能夠有效地增加光柵波長漂移量[9]。套管外徑、內(nèi)徑和長度分別為3 mm、0.5 mm及30 mm。兩端設(shè)置直徑2 mm、深度為5 mm圓孔。同時，傳感器兩側(cè)采用EPOTEK 301-2膠黏劑進行固定。該類型膠黏劑化學(xué)性能、電絕緣性、耐水性、耐腐蝕性穩(wěn)定，同時在低溫下具有良好的粘結(jié)力。

圖1 雙頭管封裝低溫傳感器結(jié)構(gòu)Fig. 1 The structure of a low-temperature sensor in a double-head tube package

一般而言，具有涂覆層的FBG溫度靈敏度普遍優(yōu)于無涂覆層FBG[10]。但在低溫條件下，涂覆層和光纖熱膨脹應(yīng)變不協(xié)調(diào)將導(dǎo)致光柵區(qū)應(yīng)變分布不均勻，從而引起FBG反射光譜的啁啾現(xiàn)象[11]。因此，采用帶涂覆層FBG應(yīng)避免啁啾現(xiàn)象。與此同時，傳感器的兩端光纖延伸處依次采用四氟管與不銹鋼鎧裝進行嵌套包裹。這不僅能提高光纖在腐蝕介質(zhì)中耐久性能，而且可以降低光纖因剪應(yīng)力導(dǎo)致的斷裂失效。同時，鎧裝能保證光纖時刻處于松弛應(yīng)力狀態(tài)，降低外界應(yīng)力場引起變形響應(yīng)。

1.3 試驗方案

該試驗采用液氮提供低溫環(huán)境（77～273 K）。試驗測試及采集裝置如圖2所示，包括：電腦、液氮儲存罐、溫度計T10R-PT、保溫桶、光纖解調(diào)儀Si255。

圖2 低溫測試裝置圖Fig. 2 Low temperature test device

試驗流程如下：1）將液氮從液氮儲存罐迅速注入保溫桶底部，降低測試環(huán)境溫度，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，F(xiàn)BG柵區(qū)的改變引起波長漂移現(xiàn)象；2）通過連接傳感器的波長解調(diào)儀（Si255）檢測傳感器中FBG的中心波長，記錄FBG中心波長與溫度的關(guān)系。值得注意的是，由于液氮環(huán)境降溫過程熱交換過快、無法恒定控溫，因此僅記錄升溫的階段傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)，測試范圍為77～273 K，每2 K記錄一次中心波長與溫度。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 涂覆層材料

FBG的涂覆層熱膨脹系數(shù)α的大小在一定程度上能改變其傳感效果，因此需研究涂覆層對FBG的溫度傳感效果的影響。無涂覆層FBG主要成分為石英，直徑約為15 ～50 μm，在實驗當(dāng)中極其脆弱，極易損壞。試驗引用付榮等所測試的無涂覆層的裸光纖Bragg光柵[12]（熱膨脹系數(shù) α =0.44×10-6）為空白組。選取兩種涂覆層材料高折射率丙烯酸酯(PDDA)（ α =90×10-6）與聚酰亞胺(PI) （ α =20×10-6）進行對照。試驗設(shè)計對照組詳見表1。

表1 涂覆層及封裝形式Tab. 1 Coating and packaging schemes

表1中K為FBG溫度傳感靈敏度系數(shù)即波長漂移量-溫度曲線的斜率，R2為溫度-波長漂移量曲線與線性擬合曲線的相關(guān)系數(shù)，R2值越接近1，表面曲線線性相關(guān)性越強。由表1可知，無涂覆層裸光纖(FBG1)和聚酰亞胺（PI）組靈敏度系數(shù)K僅為4.9 pm/K和6.8 pm/K。與此同時，高折丙烯酸酸酯靈敏度系數(shù)K可達19.3 pm/K，為裸光纖的394%。

圖3（a）為77～273K范圍內(nèi)溫度-波長漂移量曲線，截取圖3（a）中77～123K 范圍內(nèi)曲線作為圖3（b）以便觀察。結(jié)合圖3（a）不能看出，在升溫過程中，涂覆層材料能夠極大的影響FBG的傳感效果，隨著涂覆層材料的熱膨脹系數(shù)增加，F(xiàn)BG的靈敏度隨之增加。PDDA涂覆層能顯著放大光纖（α= 0.44×10-6）熱膨脹效應(yīng)，表現(xiàn)出更顯著的增敏效果。

圖3 各組傳感器溫度 - 波長漂移量圖Fig. 3 Temperature wavelength drift diagram of each group of sensors

2.2 封裝影響

為了探究雙頭管式封裝對FBG傳感靈敏度的影響，本文對PDDA涂覆層光纖采用雙頭管進行封裝，其封裝長度為5 cm。對比FBG2及LT-FBG2可以發(fā)現(xiàn)，雙頭管封裝會略微降低傳感器靈敏度。這是由于封裝管和粘結(jié)劑（EPOTEK 301-2）材料的熱膨脹系數(shù)（17.2×10-6及180×10-6）遠(yuǎn)低于FBG2采用的PDDA涂覆層的（250×10-6）。然而，從圖3（b）可以發(fā)現(xiàn)，無封裝FBG2、FBG3中心波長在77 ～103 K溫區(qū)內(nèi)對液氮沸騰引起的擾動較為敏感，存在突變區(qū)域。因此，雖然裸光纖具有較高線性程度和靈敏度系數(shù)，但對于可能存在擾動的使用環(huán)境（如沸騰，振動等）適用性相對有限。試驗結(jié)果可以證明，封裝后的低溫傳感器能同時保證FBG具有一定抵抗擾動能力及相對較高的靈敏度及線性度。

2.3 封裝長度對比

為了驗證封裝長度對中心波長的影響規(guī)律，本試驗采用PDDA涂覆層光纖（FBG2）為基準(zhǔn)，分別采用3 cm、5 cm封裝長度探究其對FBG波長的影響規(guī)律，其測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 封裝長度為3 cm、5 cm時溫度-波長漂移量圖Fig. 4 Temperature wavelength drift diagram when the package length is 3 cm and 5 cm

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著封裝長度的提高，F(xiàn)BG溫度傳感靈敏度系數(shù)得到有效提升。其中，5 cm封裝的波長偏移量和線性相關(guān)性基本接近未封裝FBG2。因此，采用雙頭管式結(jié)構(gòu)封裝FBG傳感器時，應(yīng)適當(dāng)提高封裝長度，從而改善封裝管與內(nèi)置光纖的變形協(xié)調(diào)能力。與式（9）給出理論表達式在趨勢上吻合。

2.4 傳感器靈敏度分析

在實際的工程應(yīng)用中，多次平行測試的精度與靈敏度是評價傳感器穩(wěn)定性及可靠性重要依據(jù)。為了進一步探究雙頭管式封裝傳感器低溫環(huán)境下傳感精度和靈敏度，選取優(yōu)化后5 cm封裝長度傳感器開展三次重復(fù)試驗驗證，其測試及擬合結(jié)果如圖5所示。

圖5 三次重復(fù)測試結(jié)果Fig. 5 The results of three repeated tests

圖5為三次重復(fù)測試結(jié)果，其中（a）為溫度與中心波長、靈敏度曲線，（b）為重復(fù)性誤差。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，低溫傳感器中心波長在77～273 K溫區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性和一致性。靈敏度系數(shù)K隨著溫度升高而升高，可達14～20 pm/K，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)傳感器靈敏度（10 pm/K）[13]。而低溫傳感器在100 K時，測試得到絕對誤差在-2.7 K，而相對誤差僅為1.38%。表明本文采用的封裝形式具有較高靈敏度系數(shù)，同時具有良好的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

本文對傳統(tǒng)FBG雙頭管式封裝結(jié)構(gòu)進行了改進，通過重復(fù)性試驗研究并校準(zhǔn)了雙頭管式傳感器的低溫傳感特性，主要結(jié)論如下：

1）合理的涂覆層材料對于傳感器的傳感靈敏度和精度有顯著的影響，隨著涂覆層材料的熱膨脹系數(shù)增加，F(xiàn)BG的靈敏度隨之增加，高熱膨脹系數(shù)的高折丙烯酸酯涂覆層能有效提高FBG靈敏度；

2）雙頭管封裝可有效解決無封裝裸FBG由于截面剛度較小產(chǎn)生的易受擾動特性，封裝后FBG的中心波長與溫度呈現(xiàn)高線性關(guān)系，且靈敏度系數(shù)隨封裝長度的提高而上升；

3）重復(fù)檢驗試驗結(jié)果表明，雙頭管式封裝FBG低溫傳感器靈敏度可達14～20 pm/K，絕對重復(fù)性誤差在±2.7 K之內(nèi)，相對誤差1.3%，其測試誤差和靈敏度可優(yōu)于傳統(tǒng)FBG低溫傳感器。