高灵敏度光纤温度传感器

高灵敏度光纤温度传感器

王永鹏宗义仲

中国电子科技集团公司第四十九研究所黑龙江省哈尔滨市150000

摘要：光纤光栅是一种光学无源器件，由于其具有质量轻、体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀以及传感测量的准确度高等优良特性，现已广泛应用于传感测量领域。光纤光栅作为一种传感测量元件，当外界环境温度发生变化时，使得光纤光栅产生一定的应变，这将引起光纤光栅的周期和光栅折射率的变化，从而使得进入光纤光栅中被反射和透射的光波发生一定的漂移，但在实际的应用中，往往由于温度变化的范围不大，从而温度引起的光纤光栅的应变非常微小，即裸光纤光栅的温度灵敏度很低，所以在实际的工程应用中，一般将裸光纤光栅进行温度增敏封装，以提高其温度灵敏度。

关键词：高灵敏度；光纤温度；传感器

现有的光纤光栅的封装形式有很多，根据封装结构和材料的不同，主要有聚合物封装、金属管封装、基片式封装等比较常见的形式。本文研究基片式的封装形式，通过对封装的结构进行改良设计，使其在温度方面的灵敏度得到较大提高。

1ＥＦＰＩ光纤温度传感器结构与原理

ＥＦＰＩ光纤传感器结构如图１所示。两个光纤陶瓷插芯相对放置插入一个铝套管中，使其端面相互平行，用陶瓷插芯的端面做反射面，形成Ｆ－Ｐ谐振腔结构。一个带尾纤的陶瓷插芯作为第一个反射面，另外一个不带尾纤的陶瓷插芯作为第二个反射面，两次反射的光形成双光束干涉。用螺钉将陶瓷插芯固定在铝套管内，然后用高强度的环氧树脂进一步固定并且密封该Ｆ－Ｐ腔结构的装置。

图１ＥＦＰＩ光纤传感器结构图

陶瓷插芯热膨胀系数为α＝１１．４５×１０－６／℃，铝热膨胀系数为β＝２３．６×１０－６／℃。设计铝管有效长度Ｌ１＝２０ｍｍ，Ｆ－Ｐ初始光学腔长Ｌ２＝１５０μｍ，Ｆ－Ｐ光学腔长Ｄ的温度特性可以表示为

若白光干涉解调仪腔长测量分辨率为０．５ｎｍ，则对应温度分辨率为０．００２０４℃。

2ＥＦＰＩ温度传感器实验

实验使用自主研制的光纤白光干涉测量仪解调出ＥＦＰＩ的腔长。当白光干涉测量仪的腔长测量范围在８０～４００μｍ时，腔长测量分辨率可达０．２μｍ，四个通道同时测量时，测量频率为１Ｈｚ。该解调仪使用自主研制的可调谐光纤法珀滤波器（ＦＦＰ－ＴＦ），滤波器扫描范围８０ｎｍ，线宽０．１５ｎｍ，精细度达到６００，损耗小于２ｄＢ，扫描频率大于５００Ｈｚ，由此滤波器构成的波长扫描掺铒光纤激光器作为光源。通过频谱分析分离出相位信息，得到光学腔长Ｄ。

首先在２５℃恒定温度环境下连续测量１００次，以测试测量系统的腔长测量分辨率，解调仪解调频率１Ｈｚ。解调仪对ＥＦＰＩ光纤温度传感器的白光光谱进行分析与计算，得到的绝对光学腔长结果如图２。从测量结果可以看出光学腔长测量的波动范围在０．４ｎｍ内，分辨率可达０．２ｎｍ。在全温度测量范围内，该解调仪的腔长测量分辨率只有０．５ｎｍ。

图２２５℃恒定温度下光学腔长１００次测量结果

再设置恒温水槽的温度，在室温３０℃先测量一次，然后以５℃的间隔升高恒温水槽的温度，待温度稳定后再测量，一直测到６０℃。在不同温度下测量ＥＦＰＩ的光学腔长，测量结果见图３所示。可以看出，光学腔长随温度的变化呈线性变化。对图３所示的数据进行线性拟合，拟合直线的斜率为０．２６０６，相关系数Ｒ２为０．９９９８。由此可知设计制作的ＥＦＰＩ光纤温度传感器的腔长－温度灵敏度为２６０．６ｎｍ／℃。若解调仪的腔长测量分辨率为０．５ｎｍ，则温度测量分辨率为０．００１９２℃。实验测量结果与理论计算的分辨率０．００２０４℃吻合，差别源于制作的ＥＦＰＩ铝管有效长度Ｌ１和ＥＦＰＩ初始光学腔长Ｌ２与设计的目标参数稍有不同。

图３恒温水槽中测试ＥＦＰＩ温度传感器的温度特性

进一步测量了温度缓慢变化时的传感器性能，用以验证传感器的高分辨率。将ＥＦＰＩ光纤温度传感器置于保温瓶中连续测量三天，保温瓶具有保温效果，但是温度会缓慢下降。由于数据量大，取最后２４ｈ数据如图４所示。解调仪解调频率１Ｈｚ，其中在０ｈ～２２．２ｈ连续测量数据１ｍｉｎ存储一次，２２．２ｈ～２３．２ｈ停止测量１小时，２３．２ｈ～２４ｈ再连续测量。停止测量后再次测量的实验数据斜率与停止测量之前的实验数据对比，可以看出间隔１ｈ后的数据与之前的数据在一条直线上，说明白光干涉测量ＥＦＰＩ光纤温度传感器是绝对腔长的测量，测量结果稳定可靠。对测量数据进行线性拟合，得到Ｄ＝－４．２２０７×Ｔ＋１４６９９１，Ｒ２＝０．９９９４。直线斜率代表光学腔长每小时减小４．２２ｎｍ，代入ＥＦＰＩ光纤温度传感器的腔长－温度灵敏度２６０．６ｎｍ／℃，得到１ｈ内保温瓶的温度降低０．０１６℃。在保温瓶中温度缓慢变化下的ＥＦＰＩ光纤温度传感器的测试试验，验证了传感器具有很高的温度测量灵敏度。

结论

ＥＦＰＩ光纤温度传感器由不同热膨胀系数的陶瓷插芯和铝制成，两个光纤陶瓷插芯插入一个铝套管中，形成Ｆ－Ｐ谐振腔结构。用螺钉将陶瓷插芯固定在铝套管内然后用高强度的环氧树脂进一步固定并且密封该Ｆ－Ｐ结构的传感器。实验结果表明，这支ＥＦ－ＰＩ光纤温度传感器的腔长－温度灵敏度为２６０．６ｎｍ／℃，在光纤白光干涉解调仪测量分辨率为０．５ｎｍ时，温度分辨率达到０．００２℃。设计制作的高灵敏度ＥＦＰＩ光纤温度传感器为深井测量和地质探测中极微弱的温度变化测量提供了重要的技术支撑。

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