大范圍光纖布拉格光柵溫度傳感器增敏實(shí)驗(yàn)研究 - 圖文-

1、 萬方數(shù)據(jù)光學(xué)學(xué)報(bào)柵對溫度和壓力有較高的靈敏度,很多有機(jī)聚合物無法達(dá)到這些要求。此外,有些聚合物雖然可較大幅度提高光纖光柵溫度響應(yīng)靈敏度,但受到材料本身不耐高溫以及光纖光柵反射峰中心波長最大漂移范圍限制,大多只能進(jìn)行100范圍內(nèi)溫度的測量。本文采用某種耐高溫聚合物對光纖光柵封裝,然后通過特殊工藝作進(jìn)一步改善,可以實(shí)現(xiàn)20180內(nèi)對溫度的測量,可滿足很多諸如油氣井下等高溫惡劣環(huán)境的要求。2原理溫度對光纖材料的影響主要有兩方面:一是熱膨脹導(dǎo)致材料尺度變化,另一方面是熱致折射率改變;當(dāng)采用聚合物封裝時(shí),光纖布拉格光柵(FBG反射峰中心波長變化為口猷B/aB一長+(1一P?？?。bAT,(1式中P。為光

2、纖光柵彈光系數(shù),丁為溫度變化,妥為光纖材料的熱光比系數(shù),。為粘貼光柵基底材料的熱膨脹系數(shù),根據(jù)溫度范圍的不同而改變。對于摻鍺石英光纖來說,妥大約為8.3×10一,P。為0.22。采用某種高熱膨脹系數(shù)有機(jī)聚合物對光纖光柵封裝,封裝結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。Fig.1Structure of polymer packaged FBGtemperature sensor將光纖光柵兩端固定在金屬套管內(nèi),先將套管一端封閉,然后取液體聚合物材料,添加熱穩(wěn)定劑以及抗老化劑后,對光纖光柵進(jìn)行灌封,在另一端留有一定的空間裕度,使聚合物材料的熱膨脹性能不受影響。最后將封裝好的光纖光柵高溫固化5h。3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分

3、析封裝光纖光柵的溫度響應(yīng)測試實(shí)驗(yàn)裝置如圖2。將封裝光纖光柵放入可控溫箱中,寬帶光源BBS發(fā)出的光經(jīng)3dB耦合器入射到光纖光柵中,被反射后又經(jīng)3dB耦合器送到光譜分析儀OSA,通過光譜分析儀觀察光纖光柵反射峰中心波長的變化。摻鉺光纖激光器的工作電流為15mA,峰值波Fig.2Experimental setup for the proposed temperaturemeasurement of coated FBG長為A一1532nrn,帶寬40nm。與一3dB耦合器連接的光譜分析儀OSA分辨力為0.05nm,用以監(jiān)測光纖光柵反射峰值中心波長A。和帶寬猷。ae。封裝后光纖光柵的初始中心波長由原

4、來的1550.48nm變?yōu)?547.74nm,且反射譜明顯啁啾化,帶寬A。由0.2nm變?yōu)?.5nm,這是因?yàn)榇祟惙庋b材料熱膨脹系數(shù)較大,熱固化過程中會發(fā)生很大收縮,相當(dāng)于給光纖光柵施加軸向壓縮,導(dǎo)致了光纖光柵初始波長變化。加溫試驗(yàn)采用逐步升溫法,由室溫22升至180,每次升溫幅度大致為10。C左右,并通過溫度計(jì)進(jìn)行校正,以排除可控溫箱的誤差。由于有機(jī)聚合物的熱傳導(dǎo)系數(shù)一般比金屬低,為了使封裝材料充分受熱,保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性,升溫時(shí)間間隔為5rain。封裝后的光纖光柵增敏效果較理想,在20130的范圍內(nèi)溫度響應(yīng)系數(shù)約為0.04nm/,在130180范圍內(nèi)為0.2nm/,但溫度響應(yīng)不穩(wěn)定,出現(xiàn)較大隨

5、機(jī)波動。通過分析可知,封裝光纖光柵反射譜啁啾化以及溫度響應(yīng)的波動主要是封裝材料與金屬套管間的粘接和摩擦造成的。由于封裝材料與金屬套管的粘接性很高,所以在封裝材料固化收縮過程中,由兩端到中間,光纖光柵受力分布不均,造成了光纖光柵的啁啾化。此外,由于封裝材料的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于金屬套管的,封裝材料與套管的粘接不但引起光纖光柵溫度響應(yīng)不穩(wěn)定,還會在一定程度上阻礙聚合物材料的熱膨脹,降低增敏效果。為了減小聚合物材料與金屬筒壁的粘接性及摩擦系數(shù),采用某種導(dǎo)熱型有機(jī)硅膠,在灌封光纖光柵前,先對金屬內(nèi)筒壁進(jìn)行涂覆并固化。由于這種導(dǎo)熱膠屬于軟彈性體,與金屬粘接性較差,且導(dǎo)熱性好,與封裝材料無任何化學(xué)反應(yīng),所以對

6、封裝光柵的溫度響應(yīng)特性以及其它性能影響不大。這樣可以有效地克 服封裝材料與金屬筒壁的粘接問題。當(dāng)聚合物封裝萬方數(shù)據(jù)11期孫安等:大范圍光纖布拉格光柵溫度傳感器增敏實(shí)驗(yàn)研究1493材料固化收縮以及受熱膨脹時(shí),不會受到金屬套管的影響,保證了聚合物材料均勻的膨脹以及收縮。改進(jìn)后的封裝如圖3所示。Fig.3Improved structure of polymer packaged FBGtemperature sensor通過這種方法對光纖光柵封裝,觀察改善后的封裝光纖光柵反射譜,帶寬猷。基本不變,保持在0.2nm左右,由于與套管粘接度的減小,聚合物材料的熱收縮更明顯,使光纖光柵反射峰初始中心波長減

7、小了約5nrn,由1550.76nm變?yōu)?545.33nm。對改善后的封裝光纖光柵進(jìn)行溫度試驗(yàn),溫度響應(yīng)特性曲線如圖4所示。Fig.4Bragg wavelength shift versus temperaturefor polymer packaged fiber grating溫度范圍在20130之間變化時(shí),光纖光柵溫度響應(yīng)靈敏度為0.051nm/,而在130180則達(dá)到了0.22nm/oC,對兩個(gè)不同范圍的溫度曲線分別進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,擬合度達(dá)到了0.9972和0.9947。單次升降溫過程中,光纖光柵的溫度誤差可保持在0.5。重復(fù)加溫實(shí)驗(yàn),封裝光纖光柵溫度響應(yīng)靈敏度發(fā)生改變的溫度始終為13

8、0左右。在反復(fù)升降溫的實(shí)驗(yàn)后,光纖光柵溫度響應(yīng)趨勢基本保持不變,僅略有波動,與光纖光柵靈敏度比較,其波動所帶來的誤差約為1。而觀察未使用導(dǎo)熱膠預(yù)涂覆的光纖光柵,其波動約為23。可以看出,通過改進(jìn)封裝工藝能有效地減小封裝材料與金屬筒壁的摩擦系數(shù),提高封裝光纖光柵的溫度響應(yīng)靈敏度并減小測量誤差。這種結(jié)構(gòu)封裝的光纖光柵可以很好地實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)光纖光柵對溫度的高靈敏度測量。以光譜儀0.05nm分辨力為例,在低溫區(qū)測量精度可達(dá)1,高溫區(qū)可達(dá)0.25。通過研究聚合物材料性質(zhì)可知,大多數(shù)聚合物材料均存在玻璃化溫度T。,當(dāng)外界溫度大于T。時(shí),材料的物理性質(zhì)(例如熱膨脹系數(shù)、彈性模量會發(fā)生很大變化。不同的材料玻

9、璃化溫度差異很大,例如聚碳酸酯材料的Tg溫度可達(dá)220,而本文所用的聚合物材料玻璃化溫度t大約為130左右,因此當(dāng)溫度大于130后,封裝光纖光柵的溫度靈敏度變化很大。當(dāng)溫度超過180后,光纖光柵反射譜迅速衰減,這是光纖光柵已達(dá)到本身反射峰中心波長最大漂移范圍,整個(gè)增溫過程中,光纖光柵的反射峰中心波長共漂移了13.47nm,由1545.33nm達(dá)到1558.8nm?？梢钥闯?光纖光柵傳感器靈敏度和測量范圍是相互矛盾的,一般增敏方案主要集中在溫度低于100的環(huán)境中,所以強(qiáng)調(diào)溫度增敏的倍數(shù)。這樣,在提高光纖光柵溫度響應(yīng)靈敏度同時(shí),縮小了光纖光柵的測量范圍,不能滿足高溫測量的要求。而此類傳感器由于在封

10、裝過程中聚合物材料熱收縮導(dǎo)致光纖光柵初始波長減小,以及封裝光纖光柵在低溫區(qū)對溫度的相對低敏感,均擴(kuò)大了光纖光柵的測量范圍。結(jié)論通過對光纖光柵進(jìn)行封裝設(shè)計(jì),并通過實(shí)驗(yàn)證明,采用這種結(jié)構(gòu)封裝的光纖光柵,能夠在有效地對光纖光柵進(jìn)行增敏同時(shí),保證了光纖光柵的測量范圍,使其可應(yīng)用于油氣井以及其它溫度變化范圍較大的工程環(huán)境中。參考文獻(xiàn)1Jiang Desheng,He Wei.Review of applications for fibergrating sensors.J.OpticelectronicsLaser(光電子激光,2002,13(4:420430(in Chinese2Abramov A,

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