電子論文-兩種封裝的光纖光柵溫度傳感器的低溫特性

1、OpticsandPrecisionEngineering2007年3月Mar.2007文章編號(hào)10042924X(2007)0320326205第15卷第3期光學(xué)精密工程Vol.15No.3兩種封裝的光纖光柵溫度傳感器的低溫特性郭明金,姜德生,袁宏才(武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430070)摘要:介紹了光纖光柵(FBG,FiberBraggGratings)溫度傳感器的兩種封裝形式。推導(dǎo)了兩種FBG溫度傳感器的溫度敏感因素并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)研究了兩種FBG溫度傳感器在-700的中心波長(zhǎng)低溫變化特性,比較了相同條件下兩種FBG溫度傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明

2、:細(xì)不銹鋼管封裝的FBG溫度傳感器的中心波長(zhǎng)在-60時(shí)發(fā)生了突變,急劇下降;而鍍金FBG溫度傳感器的中心波長(zhǎng)在-700隨溫度線性變化,重復(fù)性較好并且?guī)缀鯖](méi)有遲滯現(xiàn)象。兩種傳感器在線性變化區(qū)間的溫度靈敏系數(shù)KT分別為28.2pm/和21.3pm/,3倍和2.3倍,它們的線性擬合度都超過(guò)0.999。關(guān)鍵詞:導(dǎo)波與光纖光學(xué);光纖布拉格光柵;相位掩模;中圖分類(lèi)號(hào):TN253文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ALowoffiberBragggratingwithtwopackagemethodsGUOMing2jin,JIANGDe2sheng,YUANHong2cai(KeyLaboratoryofFiberOpticSe

3、nsingTechnologyandInformationProcessing,MinistryofEducation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)Abstract:TwopackagemethodsofFiberBraggGrating(FBG)temperaturesensorswereintroduced.Thetemperaturesensitivefactorsofthesensorswerederivedanalyticallyandverifiedbyexperiments.Theexperimentresultso

4、ftwokindsofFBGtemperaturesensorsinidenticalconditionswerecomparedbyanalyzingthevarietypropertiesofcenterwavelengthfrom-70to0.Fromtheexperimentalresults,itisshownthatthecenterwavelengthofFBGtemperaturesensorwiththinstainlesssteeltubepackagefallssharplyat-60;whilethereisaverygoodlinearityandpreferable

5、repeatabilitybetweenthecenterwavelengthofFBGwithgoldpackageinthetemperaturechangefrom-70to0,andalmostnohysteresiseffect.ThesensitivitiesKToftwotemperaturesensorsare28.2pm/and21.3pm/respectivelyduringlinearchange,andtheyare2.89and2.28timesaslargeasthatofabareFBG.Theirpertinencecoefficientsaremorethan

6、0.999.Keywords:guidedandfiberoptics;opticalfiberBragggrating;phasemask;packagetechnique;propertyoflowtemperature收稿日期:2006204222;修訂日期:2006211218.基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(No.60537050)第3期郭明金,等:兩種封裝的光纖光柵溫度傳感器的低溫特性3271引言光纖布拉格光柵(FBG)是20世紀(jì)90年代以來(lái)國(guó)際上新興的一種基礎(chǔ)性光纖器件。由于光纖布拉格光柵具有抗電磁干擾、體積小、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)125,因此它非常適合于惡劣飛行環(huán)境中對(duì)飛機(jī)進(jìn)行

7、溫度、壓力等參數(shù)檢測(cè)。近年來(lái),很多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)光纖光柵的溫度傳感特性進(jìn)行了研究。日本的Noritomo6等人將光纖光柵布置于熱電偶傳感腔內(nèi),研究其沒(méi)有應(yīng)變下的溫度傳感能力;新加坡的Murukeshan7等人用光纖光柵研究了復(fù)合材料固化過(guò)程的溫度特性;中國(guó)的BIWei2hong8等人研究了分布式光纖布拉格光柵實(shí)現(xiàn)小尺寸的光纖光柵溫度傳感器,它們的封裝形式如圖1和2所示。圖1中細(xì)不銹鋼管直徑規(guī)格分別為1mm和1.5mm。光纖布拉格光柵與細(xì)不銹鋼管之間以及不同規(guī)格的細(xì)不銹鋼管之間的粘貼均采用美國(guó)生產(chǎn)的雙組分環(huán)氧樹(shù)脂。圖2中鍍金層的厚度約為10m。圖11ofsteeltube應(yīng)變和溫度的同時(shí)測(cè)量。但是,

8、這些研究大多集中于光纖布拉格光柵溫度傳感器常溫時(shí)諧振波長(zhǎng)隨溫度變化的特性,低溫度也不低于-30。而,經(jīng)常有達(dá)到-55以下溫度的過(guò)冷氣流,這對(duì)光纖布拉格光柵溫度傳感器低溫特性提出了需求。因此,研究光纖布拉格光柵溫度傳感器-30-70時(shí)諧振波長(zhǎng)隨溫度變化的特性顯得非常重要。本文將對(duì)兩種封裝的光纖布拉格光柵溫度傳感器低溫時(shí)中心波長(zhǎng)隨溫度變化的特性進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)分析,為光纖布拉格光柵溫度傳感器在飛機(jī)低溫飛行環(huán)境中的使用提供依據(jù)。圖2鍍金FBG溫度傳感器示意圖Fig.2SketchofFBGwithplatinggoldpackage兩種封裝好的光纖光柵溫度傳感器都需要進(jìn)行老化處理,目的是除去殘余應(yīng)力和

9、讓溫度傳感器老化。這樣處理后的光纖布拉格光柵溫度傳感器的中心波長(zhǎng)與老化前相比較,應(yīng)0.2nm。2光纖布拉格光柵封裝光纖布拉格光柵是基于光纖的光敏特性制成的,利用紫外光就可以將一些特定的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)寫(xiě)入光纖中,形成光纖型光波導(dǎo)器件。目前最有效的、應(yīng)用最多的一種光纖光柵制作方法是相位掩模法。純石英組成的光纖在低溫環(huán)境中具有較低的熱膨脹系數(shù)同時(shí)又特別脆弱,因此用裸光纖布拉格光柵來(lái)測(cè)量低溫非常困難,可以采用熱膨脹系數(shù)大的金屬材料封裝光纖光柵以增加其強(qiáng)度,提高傳感器的溫度靈敏度。本文采用熱膨脹系數(shù)大的不銹鋼管和金封裝光纖布拉格光柵制作了兩種3實(shí)驗(yàn)3.1實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)光柵理論,當(dāng)一束光進(jìn)入光纖光柵時(shí),會(huì)對(duì)滿(mǎn)足

10、布拉格條件的光波產(chǎn)生反射,該光波的波長(zhǎng)稱(chēng)為光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)B,光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)B與折射率和光柵周期的關(guān)系為(1)B=2neff,式中,neff為纖芯有效折射率;為光柵的調(diào)制周期。由式(1)可以看出:neff與的改變均會(huì)引起反射光波長(zhǎng)的改變。當(dāng)光纖布拉格光柵的外界環(huán)328光學(xué)精密工程第15卷境發(fā)生變化的時(shí)候,就有可能導(dǎo)致光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)隨著溫度變化的特性。由于光纖材料的熱光效應(yīng),光纖布拉格光柵的周期也發(fā)生變化,從而導(dǎo)致neff和的變化,最終導(dǎo)致光纖布拉格光柵波長(zhǎng)的漂移。不考慮波導(dǎo)效應(yīng),可得:(2)+=dT,ndTd令=,即為熱光常數(shù);dT=,即為熱ndT膨脹系數(shù),從而可得

11、式(3):()(3)=+dT,),KT為光纖布拉格光柵溫度令KT=(+傳感的靈敏度系數(shù),由此可得式(4):=KTT,(4)±0.5。采用的光纖布拉格光柵長(zhǎng)度為10mm,兩種光纖布拉格光柵溫度傳感器的中心波長(zhǎng)分別為1299.168nm和1286.424nm。光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)識(shí)別系統(tǒng)采用理工光科公司生產(chǎn)的BGD2L10C光纖布拉格光柵調(diào)制解調(diào)器,該儀器波長(zhǎng)分辨率為幾個(gè)皮米左右,掃描范圍為12801305nm,掃描頻率為幾赫茲,其工作環(huán)境溫度為-1040。光纖光柵溫度傳感器低溫特性實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。實(shí)驗(yàn)時(shí),將兩種待測(cè)光纖布拉格光柵溫度傳感器放入溫度升降程序控制器中。溫度升降程序控制

12、器的溫度控制為0-70。做了8次0-70再回到0。降溫以0,每降低510min左右,溫度降,升溫過(guò)程同樣是升一次,在每個(gè)溫度點(diǎn)讓控制器保持恒定溫度10min左右,溫度最后升高到0,并記錄每個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光纖布拉格光柵溫度傳感器的中心波長(zhǎng)值。同時(shí)借助通用的光纖FC/PC跳線頭接頭與光纖布拉格光柵調(diào)制解調(diào)器相連,通過(guò)RS232與計(jì)算機(jī)通訊,光纖布拉格光柵溫度傳感器的中心波長(zhǎng)隨溫度變化的信息可以在計(jì)算機(jī)中顯示并打印。取兩個(gè)溫度傳感器的8次讀數(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果,得到了一組實(shí)驗(yàn)分析的數(shù)據(jù),由于篇幅的原因,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列表省略。式(4)即為假定沒(méi)有外力作用時(shí)裸光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系。對(duì)于光纖為純

13、石英的情況,通常有:0.55×10-6/,6.6710-6/。對(duì)于中心波長(zhǎng)在1300格光柵,Tm/。但是,火工藝的差別,性會(huì)有所不同。光纖布拉格光柵傳感器封裝后,封裝材料會(huì)極大地改變光纖布拉格光柵的傳感特性。若用s表示封裝材料的熱膨脹系數(shù),則封裝后的光纖布拉格光柵溫度傳感器的溫度響應(yīng)可表示為:+(1-Pe)(),(5)KT=s-(P11+P12)為光式(5)Pe=(n2eff/2)P12-纖的有效彈光系數(shù),其中P11和P12為光纖的彈光系數(shù),為泊松比,對(duì)于純石英光纖,Pe0.22。選用兩種封裝材料的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于光纖材料本身的熱膨脹系數(shù),即滿(mǎn)足,因此式(5)可簡(jiǎn)sµ化為:

14、+(1-Pe)(6)KT=s,則溫度靈敏系數(shù)KT是與封裝材料熱膨脹特性有關(guān)的常數(shù)。這里選用的兩種封裝材料的熱膨脹系數(shù)分別為19×10-6/左右和13×10-6/左右,理論計(jì)算值KT分別為28.7pm/和22.6pm/,大約分別是裸光纖布拉格光柵的3.2倍和2.4倍。3.2實(shí)驗(yàn)儀器與過(guò)程圖3光纖布拉格光柵低溫特性的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3ExperimentalsetupforthelowtemperaturepropertiesofFBG3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析本次實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為MC2711的溫度升降程序控制器,溫度升降程序控制器的測(cè)量精度為鍍金的光纖光柵溫度傳感器在-700的中心波

15、長(zhǎng)隨溫度變化曲線如圖4所示。從圖中不難發(fā)現(xiàn)在升溫與降溫過(guò)程中鍍金的光纖布拉格光柵溫度傳感器的中心波長(zhǎng)與溫度均呈現(xiàn)良好的線第3期郭明金,等:兩種封裝的光纖光柵溫度傳感器的低溫特性329性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.999以上,其波長(zhǎng)與溫度的擬合方程式分別為B=0.0283T+1285.773于是鍍金FBG溫度傳感器相應(yīng)的溫度傳感靈敏度系數(shù)KT的平均值為28.2pm/,并且重復(fù)性較好。圖5細(xì)不銹鋼管封裝的FBG溫度傳感器在-700時(shí)中心波長(zhǎng)隨溫度變化的曲線Fig.5ChangecurveofcenterwavelengthofFBGtemperaturesensorwiththinsteeltubepa

16、ckageagainstfrom-700(2、,光纖布圖4鍍金FBG溫度傳感器在-700時(shí)中心波長(zhǎng)隨溫度變化的曲線Fig.4Changecurveofa2gainstthefrom-70to0,導(dǎo)致光纖、應(yīng)變不均勻,-60時(shí)光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)發(fā)生突變;(3)雙組分環(huán)氧樹(shù)脂在-60時(shí)其化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理特性發(fā)生了變化,導(dǎo)致光纖布拉格光柵脫離細(xì)不銹鋼管或只有部分固定,于是光纖布拉格光柵產(chǎn)生了一定的微彎損失,從而改變了FBG溫度傳感器的傳感特性。(4)低溫時(shí)溫度、應(yīng)力對(duì)光纖光柵的耦合作用以及FBG的中心波長(zhǎng)的影響加大導(dǎo)致了FBG溫度傳感器波長(zhǎng)的突變。盡管對(duì)-60時(shí)光纖光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生突變現(xiàn)象進(jìn)行了

17、上述幾點(diǎn)的定性分析,但是上述每一點(diǎn)對(duì)該現(xiàn)象的影響有多大還有待進(jìn)一步進(jìn)行逐個(gè)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,以便確定對(duì)該現(xiàn)象影響最大的是何種因素,為光纖光柵溫度傳感器的封裝與制作提供依據(jù)。鍍金和細(xì)不銹鋼管封裝的兩種光纖布拉格光柵溫度傳感器溫度傳感靈敏度系數(shù)KT分別為28.2pm/和21.3pm/,是裸光纖布拉格光細(xì)不銹鋼管封裝的光纖光柵溫度傳感器在-700之間的其中心波長(zhǎng)隨溫度變化曲線如圖5所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度降到-60時(shí)細(xì)不銹鋼管封裝的光纖光柵溫度傳感器中心波長(zhǎng)發(fā)生突變,急劇下降,其值比正常值小得多,而在-600,升溫與降溫過(guò)程中光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)與溫度均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.999以上,其波

18、長(zhǎng)與溫度的擬合方程式分別為B=0.0213T+1298.664細(xì)不銹鋼管封裝的FBG溫度傳感器的溫度傳感靈敏度系數(shù)KT的平均值為21.3pm/,同時(shí)重復(fù)性較好。細(xì)不銹鋼管封裝的光纖布拉格光柵溫度傳感器當(dāng)溫度降到-60時(shí),其中心波長(zhǎng)發(fā)生突變,急劇下降,其值比正常值小得多,定性分析其原因如下:(1)光纖布拉格光柵封裝后,由于光纖布拉格光柵的熱光系數(shù)沒(méi)有變化,而外面的封裝材料以及粘貼樹(shù)脂熱脹冷縮的程度大,導(dǎo)致光纖布拉格光柵在-60時(shí)的熱脹冷縮性質(zhì)發(fā)生改變;柵的3倍和2.3倍,都低于理論分析值28.7pm/和22.6pm/。理論值和實(shí)驗(yàn)值之間的差異主要是由于光纖布拉格光柵較封裝材料軟,兩者之間非剛性連

19、接或者兩者之間存在間隙;同時(shí)光纖布拉格光柵與兩種封裝材料熱膨脹系數(shù)不同,從而導(dǎo)致熱膨脹不同步。330光學(xué)精密工程第15卷4結(jié)論采用鍍金和細(xì)不銹鋼管封裝光纖布拉格光柵,研制了兩種FBG溫度傳感器,它們的溫度靈敏系數(shù)KT在線性變化區(qū)間分別為28.2pm/和21.3pm/,是裸光纖布拉格光柵的3倍和2.3倍左右。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了-700之間兩種封裝形式的光纖布拉格光柵溫度傳感器的低溫特性。實(shí)驗(yàn)表明,鍍金的光纖布拉格光柵溫度傳感器適合在低溫環(huán)境中的應(yīng)用;而細(xì)不銹鋼管封裝的FBG溫度傳感器由于受封裝材料、技術(shù)和工藝的影響,其中心波長(zhǎng)在某些溫度發(fā)生突變,不適合低溫區(qū)使用。因此,通過(guò)選取特定的封裝材料、封裝技

20、術(shù)和工藝對(duì)FBG進(jìn)行封裝,能夠消除FBG溫度傳感器在某些溫度點(diǎn)的突變,從而使各種封裝的FBG溫度傳感器能應(yīng)用于整個(gè)低溫環(huán)境,以滿(mǎn)足航空航天惡劣飛行環(huán)境的需求。參考文獻(xiàn):1唐煒,史儀凱.Bragg光纖傳感技術(shù)應(yīng)用研究J.光學(xué)精密工程,2002,10(1):79283.TANGW,SHIYK.StudyonapplicationsoffiberBragggratingsensingtechniquept.PrecisionEng.,2002,10(1):79283.(inChinese)2姜德生,何偉.光纖光柵傳感器的應(yīng)用概況J.光電子(4)JIANGDSH,HEW.Reviewofapplicationsfor.J.OptoelectronLaser,2002,13(4):4202430.(inChinese)3RAOYJ.RecentprogressinforBragggratingsensorsJ.Opt.LasersEng.,1999,31:2972324.4郭玉彬,葛璜.J.光學(xué)精密工程,1999,7(1):31238.GUOYB,GEoffiberBragggratingJ.Opt.PrecisionEng.,1999,7(1):31238.5桑新柱,余重秀,王葵如,等.高非線性光子晶體光纖中布拉格光柵的制作J.光