章奕 何少靈

（第七一五研究所，杭州，310023）

光纖光柵具有體積小、波長(zhǎng)選擇性好、抗腐蝕、抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)，在光纖傳感領(lǐng)域受到越來越多的重視，被廣泛應(yīng)用于各類不同傳感器設(shè)計(jì)。在工程應(yīng)用中，光纖光柵溫度傳感器扮演著尤為重要的角色，不僅能測(cè)量環(huán)境溫度，還常與其他傳感器組合，提供溫度補(bǔ)償[1]，故光纖光柵溫度傳感器通常設(shè)計(jì)成雙端出纖。為使該類型的傳感器盡量不受環(huán)境應(yīng)力影響，傳統(tǒng)工藝在封裝過程中將光纖光柵形成一定程度的拱起，保證在軸向具有一定程度的自由伸縮。但在光纖光柵溫度傳感器內(nèi)部的有限空間內(nèi)，無法保證所有光纖光柵拱起的余量滿足在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)的自由伸縮量。當(dāng)溫度升高時(shí)，光纖光柵逐漸被拉伸，拱起量減小，引起部分光纖光柵余量不足，不再處于自由狀態(tài)，此時(shí)中心波長(zhǎng)漂移不僅與自身的熱膨脹和熱光效應(yīng)有關(guān)，還受到了芯軸膨脹對(duì)其拉伸造成的應(yīng)力影響。故采用該工藝封裝的光纖光柵溫度傳感器經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)某溫度范圍內(nèi)線性度較差，導(dǎo)致測(cè)量精度較低。

本文對(duì)固定光纖光柵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種光纖光柵在工作區(qū)間內(nèi)保留足夠的自由伸縮量的結(jié)構(gòu)，從而確保光纖光柵始終處于自由狀態(tài)，解決了傳感器線性度較差的問題，顯著提升了測(cè)量精度。

1 原理

光纖光柵溫度傳感器利用了光柵反射光信號(hào)的中心波長(zhǎng)對(duì)溫度的敏感特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變化的精確測(cè)量。由溫度變化引起的熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)會(huì)引Bragg 光纖光柵反射波長(zhǎng)變化[2-5]。反射波長(zhǎng)在變化的溫度場(chǎng)中變化公式為

式中，BλΔ 為光柵中心反射波長(zhǎng)的變化量，ΔT為溫度的變化量，ζ為光纖的熱光系數(shù)，α為光纖材料的熱膨脹系數(shù)。

可見，光柵反射波長(zhǎng)的變化量與溫度的變化量在不受外界應(yīng)力情況下有著良好的線性關(guān)系。因此，只有做到溫度傳感器中的光纖光柵始終不受外界應(yīng)力影響，才能確保溫度傳感器具有較高的溫度測(cè)量精度。

2 問題分析

圖1 是傳統(tǒng)雙端出纖型光纖光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。在一根不銹鋼芯軸內(nèi)自由放入光纖光柵，預(yù)先將其一端固定，然后對(duì)光纖光柵施加一定程度的拱起，再將其另一端用膠固定。將不銹鋼芯軸塞入保護(hù)外殼內(nèi)，以隔絕外界應(yīng)力影響。光纖光柵兩端尾纖分別用光纖護(hù)套和鎧裝護(hù)套進(jìn)行保護(hù)。

圖1 傳統(tǒng)雙端出纖型光纖光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2、3 分別是光纖光柵在繃直狀態(tài)以及傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)件內(nèi)拱起后的理論長(zhǎng)度，分別是70 mm和70.49 mm。傳統(tǒng)工藝封裝的溫度傳感器內(nèi)部光纖光柵僅有0.49 mm 的冗余量。

圖2 光纖光柵繃直狀態(tài)長(zhǎng)度理論值

圖3 光纖光柵在傳統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)件內(nèi)拱起長(zhǎng)度理論值

實(shí)驗(yàn)中，對(duì)一批該類型的光纖光柵溫度傳感器在水槽中進(jìn)行溫度性能測(cè)試，并將傳感器的波長(zhǎng)值與參考溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。有部分光纖光柵溫度傳感器線性度較差，且隨著溫度的升高，溫度靈敏度逐漸增大，如圖4 所示，導(dǎo)致在測(cè)溫區(qū)間內(nèi)，傳感器溫度線性度較差，從而影響了傳感器的測(cè)溫精度，經(jīng)計(jì)算測(cè)溫誤差達(dá)到3.83 ℃，如表1 所示，無法進(jìn)行工程應(yīng)用。

圖4 問題光纖光柵溫度傳感器溫度系數(shù)測(cè)試結(jié)果

表1 問題光纖光柵溫度傳感器測(cè)試精度

在參試的72 個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品中，出現(xiàn)了11 個(gè)線性度較差的傳感器。對(duì)存在問題的傳感器進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)在溫度較低環(huán)境下，問題傳感器的光纖光柵處于彎曲狀態(tài)，但當(dāng)溫度較高時(shí)，光纖光柵逐漸被拉伸，拱起量減小很多。在5～65 ℃的溫度范圍內(nèi)，長(zhǎng)70 mm 的不銹鋼材質(zhì)的芯軸總伸縮量約為0.1 mm[6]，盡管理論上傳統(tǒng)工藝封裝的光纖光柵具有一定的冗余量，但因?yàn)槿哂嗔枯^少，且封裝過程中，受工藝控制一致性所限，光纖光柵拱起高度不同、光纖膠粘處松動(dòng)以及光纖受到外力拉扯等原因?qū)е鹿饫w光柵的拱起量存在一定程度的偏差，使得部分傳感器的拱起量未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，所以無法保證所有光纖光柵在溫度測(cè)量區(qū)間內(nèi)完全處于自由狀態(tài)，易受芯軸膨脹導(dǎo)致的應(yīng)力影響，從而光纖光柵的中心波長(zhǎng)漂移也受到了芯軸膨脹對(duì)其拉伸造成的應(yīng)力影響。由于芯軸的材料為不銹鋼，其熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于光纖光柵，所以導(dǎo)致了光纖光柵在溫度較高時(shí)，其溫度靈敏度逐漸增大、線性度較差的現(xiàn)象。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為使光柵在溫度較高時(shí)仍不受芯軸膨脹的影響，應(yīng)在傳感器保護(hù)外殼內(nèi)部的有限空間內(nèi)，盡量增加光柵的拱起量。為此，對(duì)芯軸進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在其內(nèi)部沿徑向?qū)ΨQ塞入四根銷釘，將光纖光柵以波浪型曲線穿過銷釘。當(dāng)光纖光柵尾纖與芯軸固定后，將銷釘除去，并套上保護(hù)外殼，此時(shí)光纖光柵將以自由的彎曲狀態(tài)限位于保護(hù)外殼內(nèi)，如圖5。由于光纖光柵在銷釘除去前歷經(jīng)多道彎曲，其相對(duì)于繃直狀態(tài)的冗余量大大增加。

圖5 光纖光柵溫度傳感器新結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 是光纖光柵在新結(jié)構(gòu)件內(nèi)自由狀態(tài)長(zhǎng)度的理論值，達(dá)72.79 mm，是芯軸伸縮量的27 倍多。且光纖光柵在該狀態(tài)下彎曲損耗實(shí)測(cè)不超過1 dB，保證了光信號(hào)低損耗傳輸。可見，采用新結(jié)構(gòu)封裝后，可充分保證光纖光柵在5～65 ℃溫度區(qū)間內(nèi)始終處于自由狀態(tài)，從而確保其反射波長(zhǎng)與溫度之間的線性關(guān)系。

圖6 光纖光柵在新結(jié)構(gòu)件內(nèi)自由狀態(tài)長(zhǎng)度理論值

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)封裝后的效果，對(duì)30 個(gè)該類型的溫度傳感器進(jìn)行了相同的溫度性能測(cè)試。圖7是新結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度傳感器測(cè)試結(jié)果，在5～65 ℃溫度測(cè)試區(qū)間內(nèi)，傳感器線性度較好，溫度上行和下行重復(fù)性良好，沒有再出現(xiàn)隨著溫度升高溫度系數(shù)逐漸增大的現(xiàn)象，測(cè)溫誤差僅0.1 ℃，如表2 所示。

表2 新工藝結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度傳感器測(cè)試精度

圖7 新結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度傳感器溫度系數(shù)測(cè)試

4 結(jié)論

本文通過對(duì)傳感器內(nèi)部固定光纖光柵的芯軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了因傳統(tǒng)雙端出纖的光纖光柵溫度傳感器內(nèi)光纖余量不足導(dǎo)致的溫度線性度差，測(cè)溫精度低的問題，大大提升了雙端出纖型光纖光柵溫度傳感器的穩(wěn)定性。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，封裝成品率高，適于大批量生產(chǎn)，且傳感器雙端出纖，易于多個(gè)傳感器復(fù)用，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式溫度測(cè)量，同時(shí)可為其他傳感器提供溫度補(bǔ)償，適合應(yīng)用于建筑、隧道、橋梁、消防等溫度測(cè)量領(lǐng)域。