王 瑨 何 昕 王艷鳳 王永杰

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；2.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083）

海水溫度是海洋環(huán)境調(diào)查中一個(gè)最基本的物理量，其對(duì)海洋生態(tài)、軍事以及漁業(yè)發(fā)展具有重要的研究意義。因海洋環(huán)境的特殊性，獲取這一參數(shù)面臨一系列的問(wèn)題[1]。若想提高整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的精度，就要求所選用的測(cè)溫傳感器具有較高的靈敏度和較小的時(shí)間常數(shù)[2]。在傳統(tǒng)的海水溫度測(cè)量中，熱敏電阻和鉑電阻由于其較高的測(cè)試精度和連續(xù)測(cè)量的特性得到了工程師和科學(xué)家的一致青睞。但是，鉑電阻的時(shí)間常數(shù)是十幾秒[3]，熱敏電阻雖可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)別，但其在測(cè)試過(guò)程中電流會(huì)很大且出現(xiàn)很難控制的現(xiàn)象[4]。比較光纖傳感器和電學(xué)傳感器，前者在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出靈敏度高、體積小、多參數(shù)敏感、抗腐蝕、本征絕緣、光路可彎曲、易復(fù)用和便于遙測(cè)等優(yōu)勢(shì)[5-6]。同時(shí)，已有報(bào)道的FBG溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)可達(dá)到幾秒[7]。先進(jìn)國(guó)家的海洋環(huán)境測(cè)溫傳感器的時(shí)間常數(shù)可達(dá)到60~70 ms, 而我國(guó)也有方案可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)別[8-10]，但大部分仍停留在1000 ms左右。文中所介紹的FBG溫度傳感器采用特殊封裝結(jié)構(gòu)，溫度靈敏度可達(dá)27.21 pm/℃,響應(yīng)時(shí)間可達(dá)67.5 ms。同時(shí), 因FBG特有的傳感優(yōu)勢(shì)，其將在海洋快速測(cè)溫領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

1. 光纖布拉格光柵傳感原理

光纖布拉格光柵基于光纖的光敏性原理，制作時(shí)通過(guò)紫外光照射使纖芯的折射率發(fā)生周期性改變，進(jìn)而在纖芯內(nèi)部形成空間相位光柵。因此，它是一種纖芯折射率沿其軸向周期性分布的光纖，本質(zhì)上可認(rèn)為FBG是一種能夠進(jìn)行波長(zhǎng)選擇的窄帶反射器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖Bragg光柵結(jié)構(gòu)

由光纖光柵耦合模理論可知，光纖布拉格光柵將入射基模與反向透射基模耦合，得到光纖光柵波長(zhǎng)選擇性反射函數(shù)[11]，基本方程為:

由上式可知，光纖光柵中心波長(zhǎng) 取決于柵區(qū)纖芯的有效折射率 和周期。

當(dāng)有光纖光柵滿足上述公式時(shí)，光就會(huì)被反射，反射光的波長(zhǎng)可由光譜儀或解調(diào)儀測(cè)得，這樣就能知道FBG中心波長(zhǎng)的變化。

1.1 溫度和應(yīng)力傳感原理

當(dāng)外界參量如溫度、應(yīng)力等發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵的中心波長(zhǎng)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生線性化漂移。通過(guò)對(duì)中心波長(zhǎng)變化的測(cè)量，便可達(dá)到對(duì)外界溫度、應(yīng)力等環(huán)境參數(shù)的測(cè)量，如公式（2）。

裸光纖布拉格光柵的溫度靈敏度系數(shù)為10 pm/℃,應(yīng)變系數(shù)為1.2 pm/μ ε。裸光纖光柵的直徑僅為125μ m,在實(shí)際惡劣的工程應(yīng)用中極易損傷，必須對(duì)其進(jìn)行保護(hù)性和增敏性封裝，才能夠保證其表現(xiàn)出更穩(wěn)定更可靠的傳感性能，也才能夠延長(zhǎng)其使用壽命。

1.2 溫度和應(yīng)力交叉敏感

光纖布拉格光柵感受作用在其上的溫度和應(yīng)力時(shí),中心波長(zhǎng)都會(huì)發(fā)生線性漂移，因此,存在溫度和應(yīng)力交叉敏感的問(wèn)題。當(dāng)布拉格光柵用于實(shí)際環(huán)境測(cè)量時(shí)，必須采取措施進(jìn)行補(bǔ)償或者區(qū)分，這就嚴(yán)重限制了Bragg光柵的廣泛使用，在很多研究報(bào)告中也給出了相應(yīng)的解決方案。

本研究采用一種特殊的封裝結(jié)構(gòu)，可較好地解決應(yīng)力對(duì)溫度測(cè)量的影響，因此，僅需考慮溫度單獨(dú)作用時(shí)中心波長(zhǎng)的變化。文中采用填充特殊材料和特殊結(jié)構(gòu)對(duì)FBG進(jìn)行增敏封裝，通過(guò)這一材料較大的熱膨脹作用，進(jìn)而提高光纖布拉格光柵的溫度靈敏度。此時(shí)，傳感器的溫度和波長(zhǎng)之間的關(guān)系滿足公式(3)[11]。

其中, 為封袋基底的熱膨脹系數(shù), 為傳感器的溫度。

2. 傳感器設(shè)計(jì)與分析

2.1 傳感器封裝結(jié)構(gòu)

裸露的光纖光柵十分脆弱，而且靈敏度很低，必須輔助以一定的封裝結(jié)構(gòu)才能投入生產(chǎn)和應(yīng)用。常用的封裝形式主要有片封裝、管封裝和盒封裝三類，金屬管封裝方式因其具有結(jié)構(gòu)小巧、導(dǎo)熱快、布設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞[12-15]?？紤]到海洋環(huán)境應(yīng)用需要密封和小型化處理，本方案選擇金屬管封裝方式。首先，將光纖光柵在加持預(yù)應(yīng)力的情況下固定于金屬管，并將光纖兩端與金屬管接觸位置處留置余量以緩沖壓力。然后，采用特殊方法將管內(nèi)注滿高導(dǎo)熱填充物，具體結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖2所示。

圖2 FBG封裝簡(jiǎn)圖和實(shí)物照片

當(dāng)外界溫度改變時(shí)，溫度變化能夠同時(shí)傳遞到光纖光柵和金屬管上。由前面分析可知，溫度變化會(huì)引起光纖光柵中心波長(zhǎng)的偏移。由于金屬管熱膨脹系數(shù)大于石英光纖，在熱脹冷縮效應(yīng)的影響下，金屬管在膨脹或收縮的過(guò)程中固定于其上的光纖光柵也會(huì)在外界應(yīng)力的作用下拉伸或收縮，導(dǎo)致其中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移。在此結(jié)構(gòu)下，光纖光柵和金屬管受溫度變化影響應(yīng)力的傳遞作用導(dǎo)致的中心波長(zhǎng)偏移方向是一致的，從而達(dá)到增敏的效果。而外層金屬管的另一個(gè)作用是隔絕外界應(yīng)變和壓力的影響，使得外界壓力和應(yīng)力作用不到光纖光柵上，從而達(dá)到單一溫度測(cè)量的目的。

在此方案中，經(jīng)過(guò)特殊處理，金屬管、光纖和填充物渾然一體。因所選用的金屬管熱膨脹系數(shù)較大，若其受熱膨脹，F(xiàn)BG必然會(huì)受到一定的拉應(yīng)力，這必將引起中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移，進(jìn)而達(dá)到提高溫度靈敏度的目的。為了防止聚合物長(zhǎng)時(shí)間使用而出現(xiàn)老化，在此采用一種特殊的高導(dǎo)熱材料進(jìn)行填充，而且也起到了良好的增敏作用。

從另一方面考慮，這一金屬層即一種傳熱介質(zhì)，則其不但能夠耐壓，而且也必須具有較快的傳熱速率。因此，這一金屬管封裝結(jié)構(gòu)的存在給FBG在海洋環(huán)境中的應(yīng)用帶來(lái)了兩個(gè)互相牽制的難題：強(qiáng)度和傳熱速率。較高的抗壓強(qiáng)度就需要使用管壁較厚的金屬材料，這在一定程度上降低了傳熱速率；但較快的傳熱速率勢(shì)必需要采用管壁較薄的金屬材料，這又將會(huì)在一定程度上影響封裝強(qiáng)度。在此，選擇特殊材料和特殊封裝結(jié)構(gòu)，使FBG溫度傳感器不僅具有較高的封裝強(qiáng)度，還具有毫秒級(jí)別的時(shí)間常數(shù)。因此，在材料選取時(shí)開展了大量工作。

考慮FBG對(duì)于溫度和應(yīng)力同時(shí)敏感，封裝時(shí)將金屬管兩端的光纖置于松弛狀態(tài)，這一特殊的設(shè)計(jì)使得其對(duì)于外界應(yīng)力的變化具有一定的緩沖作用[7,16]，因此，光纖光柵受到外界應(yīng)力的影響很小。在本研究中，我們不僅有效地防止了光纖光柵啁啾，而且消除了壓力的影響，提高了溫度靈敏度和響應(yīng)速度。

2.2 傳感器溫度靈敏度計(jì)算分析

經(jīng)過(guò)此種封裝設(shè)計(jì)后，F(xiàn)BG的熱光系數(shù)并未發(fā)生改變，但熱膨脹系數(shù)卻表現(xiàn)出比較明顯的不同。此種封裝結(jié)構(gòu)的FBG的溫度靈敏度滿足公式(4), 其中各參數(shù)取值見表1, 其溫度靈敏度的計(jì)算值為27.21 pm/℃。

表1 溫度靈敏度有關(guān)參數(shù)

3. 試驗(yàn)測(cè)試

3.1 溫度靈敏度測(cè)試

圖3 FBG溫度靈敏度測(cè)試裝置

使用恒溫水浴槽進(jìn)行溫度靈敏度測(cè)試試驗(yàn)，如圖3所示。該測(cè)試依據(jù)GB/T23246—2009進(jìn)行，其中參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器選用SBE56(Sea Bird Electronics,SBE)。波長(zhǎng)—溫度曲線如圖4所示，經(jīng)過(guò)一次線性擬合，其線性度為0.9999，溫度靈敏度為32.1 pm/℃，接近上述理論值。

圖4 FBG波長(zhǎng)—溫度測(cè)試曲線

3.2 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

測(cè)試試驗(yàn)裝置如圖5所示。將FBG迅速?gòu)睦渌湃霟崴校瑫r(shí)，高速解調(diào)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其溫度變化趨勢(shì)，重復(fù)多次試驗(yàn)，完成測(cè)試軟件截屏，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如圖6所示。查詢相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)可知，此類傳感器的響應(yīng)時(shí)間即為其經(jīng)歷溫度快速變化之后達(dá)到穩(wěn)定溫度所需時(shí)間的63.2%[8]。篩選大量測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，采用這一結(jié)構(gòu)的FBG的響應(yīng)時(shí)間可達(dá)67.5 ms。

圖6 FBG響應(yīng)時(shí)間測(cè)試曲線

4. 結(jié)論

文中介紹了光纖布拉格光柵傳感器的傳感原理和封裝技術(shù)，描述了關(guān)于靈敏度和響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算及測(cè)試。此種光纖光柵溫度傳感器的快速測(cè)溫特性優(yōu)于傳統(tǒng)電學(xué)傳感器和一般FBG傳感器，并且具有較高的溫度靈敏度。通過(guò)有效的封裝技術(shù)，解決了FBG溫度和壓力的交叉靈敏度問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度，縮短響應(yīng)時(shí)間，以保證能夠有效、準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這將為海洋剖面快速測(cè)溫傳感器的研制和發(fā)展提供一種新的思路。