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实用型光纤光栅温度传感器设计
摘要
光纤布拉格光栅（FBG）是一种很有前途的、应用于未来传感器系统的测量技术。目前，人们还没有足够重视光纤光栅传感器的封装设计，然而，把光纤光栅嵌入在电子传感器中，以使它能够简便地安装在仪器仪表系统中是一件很重要的事情。我们已经试验性地制成了一个实用的直通型光纤光栅、嵌入在常规热电偶封装中的温度传感器。拼接到光纤光栅上的一个弯成小半径的U型的光纤被置于一个不锈钢护套的顶部。采用了重涂聚酰胺的高数值孔径光纤，我们已经确定，小半径U型光纤的弯曲损耗和耐热性分别为小于0.1dB和高达250℃。这种传感器由于温度变化引起的波长偏移为10.3pm/℃，跟一般的光纤光栅一样。因此，该传感器的实用性已经被证实。
关键字：光纤布拉格光栅；传感器；外壳
1绪论
对未来的传感器系统应用而言，光纤布拉格光栅（FBG）技术是一种很有前途的测量技术。在这样的理念中，通过测量布拉格波长变化来确定作用于光纤芯材上专门的处理部分的温度和应变。
光纤光栅最开始的设想是应用于温度传感器和应变传感器。在很多地方，相关研究也在进行中。近年来，光纤光栅传感器的性能已经通过测试并且被评估可以用作实用的产品。
使用波长划分复用的光纤光栅技术，分布式测量可以很容易地实现。有了这个特性，光纤光栅传感器适用于防爆作业必不可少的石化工厂，或者电磁干扰会造成麻烦的场合。此外，在使用传统的热电偶和电阻式温度传感器的种种场合，光纤光栅传感器技术也可作为分布式温度测量系统。
2光纤光栅传感原理
光纤光栅是一种由曝光在紫外光产生的光栅所形成的光学元件。对于一个从宽带光源输入的光波，只有特定波长（布拉格波长）与其光栅周期有关。布拉格波长的值为
（1）
其中，n为有效折射率，为折射率调制的周期。
假设温度变化为，则布拉格波长偏移为
（2）
其中，为布拉格波长偏移，为光纤的热光系数。
3设计思路
图1 60路光纤光栅传感电子光学系统示意图
图1展示了一个基于波分复用的典型的分布式光纤光栅传感器的系统组成。在该系统中，这种传感器是“直通式”的，有采取光纤光栅传感器分布式测量能力的优势。由于在仪器仪表系统的应用中光纤光栅温度传感器是很吸引人的，该传感器外壳的外部形状很重要。我们设计了一种跟常规的电子温度传感器外壳相似的传感器外壳，所以常规传感器安装和保养的方法也同样适用。
所以，我们已经试验性地制作出一种直通式的、嵌入在常规热电偶外壳内的光纤光栅温度传感器。
这篇论文介绍了这种传感器的基本性能和光纤设计。
4传感器结构
图2 嵌入热电偶外壳的直通式光纤光栅温度传感器的结构
图2展示了一个嵌入热电偶外壳的直通式光纤光栅温度传感器的结构。光纤通过被弯曲成一个小半径的U型并与光纤光栅拼接的方式嵌入其中。为了使工作温度范围的上限达到250℃，我们选择了聚酰亚胺作为涂料涂在光纤光栅和光纤上。我们把光纤光栅和U型光纤之间融合拼接的部分用聚酰亚胺粘合，然后用陶瓷杆固定。对于这次试验制作出的传感器来说，玻璃陶瓷的热膨胀系数等于熔融二氧化硅，这个特性可以使得在使用陶瓷的情况下获得高达250℃的工作温度。而对于陶瓷杆，我们选择使用氮化硼是因为它的导热性高而且很容易加工。
5光纤设计
对于分布式测量，光损还原是必须的。该传感器的光损可以分为以下几类。
⒈连接到连接器的损耗（连接器损耗）。
⒉连接到拼接纤维的损耗（熔接损耗）。
⒊U型弯曲光纤的损耗（弯曲损耗）。
正常来说，护套的直径必然小，然而，由于小量的弯曲损耗，护套直径必须增大到大尺寸。
在一般情况下，可以通过增加光纤的芯和包层之间的折射率增量来减少弯曲损耗。
我们通过计算机模拟光束传播的方式来估算U型弯曲光纤和拼接部分的光损。图3是弯曲直径和弯曲损耗的实验以及计算结果。实际测量与模拟计算的弯曲损耗吻合得很好。
图3 模拟弯曲损耗
但是，如果U型弯曲光纤的直径减小，同时光纤光栅和其余部分的光纤之间芯径增加的话，会造成熔接损耗变大。此外，如果在整个系统中的所有光纤都被标准化到U型弯曲光纤的芯径，那就需要大量特定规格的光纤，使得光纤的成本升高。因此，选择弯曲部分的光纤是很重要的。在仿真中使用的光纤在表格1中列出。
表1 在模拟使用的纤维的参数
图4 模拟总损耗
图3为弯曲直径和弯曲损耗之间的关系。图4为不同光纤和包括了熔接损耗和弯曲损耗在内的总损耗之间的关系。从这些图中可以很清楚地看出，由于很大的弯曲损耗，通信光纤不能降低总损耗。对于光纤B而言，因为光纤B和光纤光栅纤芯直径的差异，从理论上来说很难降低熔接损耗。因此，使用光纤A或者光纤C会更好。而与此同时，由于光纤A与光纤光栅的包层直径差会使得它们之间的拼接变得困难。所以，我们最终选定光纤C。
图5 测量和模拟的弯曲损耗
图5是该光纤的弯曲损耗和弯曲直径的实验结果。结果表明，测量的弯曲损耗和模拟值是相符的。通过实际测量证实了弯曲损耗小于0.1dB。我们这次试制的传感器中，我们试验性地把弯曲直径的值设置为15mm。这是增加弯曲损耗的出发点。该光纤光栅温度传感器的总损耗为0.9dB。表格2为损耗的组成。如果在图1的系统中使用一个超发光二极管作为光源，该系统中允许的总损耗为10dB。因此，如果忽略传输光纤的损耗，嵌入在壳体中的直通式温度传感器的总损耗最大为11dB。通过优化拼接的质量，拼接损耗可以降低到0.55dB。如此一来，我们可以实现一个总损耗为12dB的分布式光纤光栅测量系统。
表2 光纤C的损耗组成
6灵敏度
图6 嵌在热电偶壳体中的直通式光纤光栅温度传感器的灵敏度
图6为光纤光栅温度传感器的灵敏度。在这个实验中，光源和波长检测分别利用了二极管和频谱分析仪。如图7所示，光纤光栅元件的反射率和半高全宽分别是约60%和0.2nm。
光纤光栅温度传感器的灵敏度为10.3 pm/℃，跟一般的光纤光栅近似相等。
7安装指导
如上所述，温度传感器的安装需要考虑各种倾角。由于传感器的安装方式会影响温度在它的外壳的分布变化，这些变化应该通过可靠性试验来评估。使用一般的环氧胶粘剂贴上光纤套圈的光纤连接器不具有耐热性，
我们评估了250℃的条件下光纤光栅温度传感器的温度分布和传感器安装的方式。结果是，水平放置时，在图2（a）中光纤连接器的温度是40℃，垂直放置时是60℃。这些温度小于环氧胶粘剂的持续工作温度，因此不会导致任何问题。
8结论
我们已经试验性地制造了一个嵌在常规热电偶外壳中的直通式温度传感器。该传感器的灵敏度跟普通的光纤光栅近似相等。在实验测量中，该传感器的总损耗是0.9dB，U型弯曲损耗是0.05dB。未来，我们将评估其可靠性并继续尝试制造更小的弯曲直径的光纤。
表面安装型光纤光栅温度传感器的测量误差
摘要
光纤布拉格光栅（FBG）传感器被广泛地用于测量表面温度。然而，表面安装型的光纤光栅温度传感器的温度梯度效应往往被忽视。我们准备了一个常见的表面型温度梯度设置来研究光纤光栅温度传感器的测量误差。实验结果表明，裸光纤光栅传感器的测量误差与表面温度具有明显的线性关系，最大误差达到8.1℃。跟裸光纤光栅传感器和常规的热电阻相比，用导热硅脂封装的光纤光栅温度传感器产生的测量误差更小。因此，适当的封装方法和固定的方式可以有效地提高光纤光栅传感器测量表面温度的精度。
1绪论
测量表面温度是获得固体表面温度的一个重要方式，被广泛用于测定热量，器件温度感知，传感器误差补偿等等。表面温度测量的方法主要分为两类：非接触式测量（如红外辐射温度计）和接触式测量（如热电偶和热敏电阻）。红外辐射温度计用于测量高温，但是受测量精度和成本的问题所制约。因此在现代工业领域，接触式测量法比非接触式测量法应用更为广泛。
热电偶或热敏电阻可以高效便捷地贴在物体的表面来测量表面温度。然而，这样的测量方式很难获得高的测量精度。从固体表面传导到热电偶或热敏电阻的金属导线附近的热量改变了表面温度场。采用有限元方法（FEM）等分析使用表面安装热电偶测量温度的“鳍效应”，并指出实际的影响取决于导线的直径。还提出纠正热电偶的测量误差的双尺度计算方法。考虑由热电偶快速瞬态冷却过程中引入误差的因素。本研究中的一个重要结论是，通过这样的特性热电偶测得的表面温度误差为40℃是因为铅的热损失造成的。我们还系统地研究了在失真的温度场周围插入热电偶并讨论其对温度测量的影响。
作为一种新型的温度传感器，光纤布拉格光栅（FBG）的温度传感器具有在作为一个信号路径的熔融二氧化硅线。这种结构可以有效地减少信号线的热传输，从而改善测量精度。这种传感器是获取高精度的表面温度的理想仪器。然而，尽管FBG传感器已经被广泛地使用，迄今为止还没有人研究其测量表面温度的误差。
为了全面了解表面安装型FBG传感器的测量误差，我们分析了固体表面和环境之间的温度梯度并评估FBG传感器的结构引起的测量误差。我们还提出了表面温度测量误差校准系统，并讨论对测量误差导热硅脂包装结构的影响。
2光纤光栅温度传感器的测量误差分析
不管是哪种类型，各种温度传感器都具有感测温度的感测点。感测点测量自己周围的温度，而不是整个物体或表面的温度。传感器的读数表示传送到感应元件的热量，该元件储存的热量和散发到周围环境中的热量的平均值。如果是这样，在它的周围和仪器都是相同温度的情况下，才能获得精确的温度。从这些条件的任何偏差引起的热量的流动，反过来又产生测量误差的温度梯度和结果。
图1 在表面温度测量中的温度分布的有限元模型
进行高温表面温度场的有限元分析（FEA）可以获得测量区间的大致温度分布。该模型包括FEA模型的内部，热传导面和空气层。与后面的试验结果进行比较，被测物体被指定为水，将热传导层指定为紫铜。紫铜的厚度为1毫米。水和空气柱的高度分别是10毫米和100毫米。为了衡量模型中的温度分布，热边界条件和初始条件需要慎重考虑。在图1中，假设一个自由空气的对流系数（）来模拟紫铜和空气层之间的冷却效果。绝热环境设置在睡和环境之间。水的温度和空气的温度分别为23℃和91.8℃。有限元分析在ANSYS V14中进行。有限元分析的结果表明，水，热传导表面和空气层的温度分布沿垂直方向减小。水和铜片之间的界面应该是温度分布的原点，垂直向上的方向被定义为正方向。图2(a)为温度分布的曲线。图2(b)为图2(a)中0-1.1毫米之间的温度分布。图2(b)表明铜片的两面的温度差低至0.89℃。该图还表明紫铜表面空气层的温度沿垂直方向迅速降低。温度从高温（90.2℃）降到低温（37.9℃）时垂直方向上的距离在4毫米以内。这意味着平均温度梯度为-13.5℃/mm。如图2(a)所示。鉴于该温度传感器被固定在表面而且使用丙烯酸酯涂层的裸光纤的直径为200微米，在这个区域内的温度梯度-46.4℃/mm可以表示为曲线的初始斜率。这一发现表明，在从一定的测量表面上的感测点的任何偏差都将导致严重的测量误差。
3获取光纤光栅传感器的测量误差
实验原理和方法
表面型温度标准是用来评价FBG温度传感器的表面温度测量误差的。这个标准是一个参考，其温度是已知的。已标定的光纤光栅温度传感器被固定在其上，如图3所示。测量误差是通过比较所述FBG传感器的读数和表面型温度标准的温度之间的差来获得的。
图3 表面误差测量原理示意图
校准光纤光栅温度传感器
使用中心波长为1297nm的FBG温度传感器浸入温度标准设置的热水。热水的温度从46℃到92℃改变六次，使用标准水银温度计（II级）来测定。光纤光栅的反射波长由FBG调制解调器（MOI MS130）记录。校准曲线如图5所示。光纤光栅温度传感器的温度T和中心波长的关系可以表示为
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(1) |
FBG传感器的温度敏感度约为10pm/℃。
图5 该传感器的校准曲线
4实验和结果
传感器固定的方式极大地影响了其表面温度的测量。本研究讨论了两种固定方式：单端磁固定和单端导热硅脂固定。我们选择了第一种固定方式，因为它在常规测量中使用普遍。第二种固定方式用来与传统的温度传感器进行比较试验。假定水银温度计读数为T1，FBG传感器的是T2，表面温度的测量误差用T表示，也就是，T=T1-T2。表面温度的测量误差是在两个不同条件下进行测试的。
图6 单端固定的光纤光栅温度传感器
使用丙烯酸酯涂层的裸光纤光栅温度传感器的测量方式如图6所示。紫铜片是用来模拟被测物体表面上的表面型温度标准的恒温表面。FBG传感器由两个磁铁固定在紫铜板上。光纤光栅可以在铜片上自由伸展和形变，因为FBG的末端只有一个固定的点。热水的温度变化、水银温度计和FBG传感器的读数都记录在表1中。环境温度为23℃。FBG传感器对不同的表面温度的测量误差如图7所示。所述表面测量的误差随着表面温度的升高而增加。误差和表面温度之间的关系是近似线性的。当表面温度为91.8℃时，误差约为8.1℃。FBG传感器的直径为0.3毫米（包括纤芯，包层和保护的丙烯酸酯涂层）；因此，FBG传感器的感测点位于沿水平方
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