镀金光纤光栅温度传感器的低温特性

镀金光纤光栅温度传感器的低温特性 Vo .l 28 , No. 2 第 28卷 第 2期低 温 物 理 学 报 2006年 5月 M ay 2006 CH IN ESE JOURNAL O F LOW TEM PERA TUR E PH YS ICS 3 镀金光纤光栅温度传感器的低温特性 郭明金姜德生 武汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室 ,武汉 430070 ( ) 介绍了用相位掩膜 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 制作光纤布拉格光栅 FB G以及镀金的 FB G温度传感器. 通过实验研究了 - 70 ?, 0 ?之间的裸 FB G和镀金 FB G温度传感器的中心波长低温变化特性. 实验结果表明裸 FB G和镀金 FB G温度传感 器的中心波长在 - 70?,0?的区间随温度线性变化 ,重复性较好并且几乎没有迟滞现象. 裸光纤布拉格光栅和镀 金 FB G温度传感器的温度灵敏系数 K分别为 0. 0101nm / ?和 0. 0283 nm / ?. 并且它们的线性拟合度都超过 T 0. 999. 关键词 : 导波与光纤光学 ,光纤布拉格光栅 ,相位掩膜 ,封装工艺 ,低温特性 PACC : 0720M , 4280L , 4281P 布拉格光栅温度传感器 - 30?, - 70?时谐振波长 随温度变化的特性显得非常重要. 本文将对裸 FB G 1 引言 和镀金 FB G温度传感器低温时中心波长随温度变化 ( ) 的特性进行理论和实验分析 ,为光纤布拉格光栅温度 光纤布拉格光栅 FB G是 20 世纪 90年代以来 国际上新兴的一种基础性光纤器件. 由于光纤布拉 传感器在飞机低温飞行环境中的使用提供依据. 格光栅具有抗电磁干扰 、体积小 、重量轻等诸多优 [ 1,4 ] 点 ,因此它非常适合于恶劣飞行环境中对飞机 2 光纤布拉格光栅制备与封装的温度、压力、燃料液位等多物理量参数的监测. 近 年来 ,很多专家学者对光纤光栅的温度传感特性进 光纤布拉格光栅是基于光纤的光敏特性制成的 , [ 5 ] 行了研究. 日本的 No ritomo等人将光纤光栅布置 利用紫外光就可以将一些特定的光波导结构写入光 纤中 ,形成光纤型光波导器件. 目前最有效的、应用 于热电偶传感腔内 ,研究其没有应变下的温度传感[ 6 ] 能力 ;新加坡的 M u ruke shan等人用光纤光栅研究 最多的一种光纤布拉格光栅制作方法是相位掩膜法.了复合 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 固化过程的温度特性 ; 中国的 ZHAN G 相位掩膜写入法制备的光纤布拉格光栅周期为掩膜 [ 7 ]X iao2jing等人对光纤布拉格光栅温度灵敏性进行 [ 8 , 9 ]光栅周期的一半 ,与入射光无关 ,因此对光源的相干 了研究和 B i W e i2hong等人研究了分布式光纤布 性要求不高 ,并且稳定、易于准直 ,重复性好 ,可以简 拉格光栅实现应变和温度的同时测量. 但是 ,这些 研究大多集中于光纤布拉格光栅温度传感器常温时 化光纤布拉格光栅的制作系统.谐振波长随温度变化的特性 ,虽然有研究者研究了 由纯石英组成的光纤在低温环境中具有较低的 光纤布拉格光栅温度传感器的零度以下的温度特 热膨胀系数同时又特别脆弱 ,直接将其作为传感器会 性 ,但研究的最低温度也不低于 - 30 ?, - 30 ?以下 遇到许多的难 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 . 因此用裸光纤布拉格光栅来测量光纤布拉格光栅温度传感器的温度特性几乎没有报 低温非常困难 ,可以采用热膨胀系数大的材料来封装 道. 而飞机在日常训练和战斗飞行时 ,经常有达到 光纤布拉格光栅以提高光纤布拉格光栅传感器的温 - 55 ?以下温度的过冷气流 ,这对光纤布拉格光栅 度灵敏度. 所以采用热膨胀系数大的金镀在光纤布温度传感器低温特性提出了需求. 因此 ,研究光纤 拉格光栅表面制作了一种小尺寸的光纤布拉格光栅 温度传感器 ,它的封装形式如图 1 所示. 采用化学镀 ()3 国家自然科学基金 项目编号 : 50179029 资助的课题. 收稿日期 : 2005 211 228; 修回日期 : 2006 202 2151 Λ 与电镀相结合的方法在光纤布拉格光栅上镀金 ,镀金1 dn 1 d ξα 令 =,即为热光常数 ; 即为热膨, = n dT Λ dT μ层的厚度约为 10m. 镀金的过程分为光纤预处理 , 胀系数 ,从而可以得到再经过一定的热处理后 ,进行化学镀镍 ,最后镀金 ,以 λd获得满足温度传感器要求的镀金层 ,其中光纤预处理 ξ α) ()( = 4 +dT λ 过程包含除油、敏化、活化等 ,目的是让光纤表面获得λ(ξα) 令 K=+, K为光纤布拉格光栅温度传感 T T 能够进行化学镀的活化表面. 的灵敏度系数 ,由此可得 Δλ Δ( )= KT 5 T () 式 5 即为假定没有外力作用时裸光纤布拉格 光栅中心波长与温度的关系. 对于光纤为纯石英的 - 6 αξ情况 , 通 常 有 : ? 0. 55 ×10 / ?, ? 6. 67 × - 6 图 1 镀金光纤布拉格光栅温度传感器示意图10 / ?,对于中心波长在 1300 nm 的光纤布拉格光 栅 ,其温度灵敏系数 K约为 0. 0094 nm / ?. 但是 ,由 T 镀金的光纤布拉格光栅温度传感器都需要进行于采用的光纤、光纤光栅写入工艺以及退火工艺的差 老化处理 ,首先将温度传感器放置在一定温度的烘箱 别 ,光纤布拉格光栅的温度敏感特性会有所不同. 中恒温处理几十个小时. 目的是使中心波长和树脂 光纤布拉格光栅封装后 ,封装材料会极大地改稳定 ,然后从烘箱中取出冷却到室温并存放一定的时 间后 ,再将光纤布拉格光栅放入烘箱中恒温几十分 α 变光纤布拉格光栅的传感特性. 若用 表示封装材 s钟 ,重复上述的步骤十几次 ,目的是除去残余应力和 料的热膨胀系数 ,则封装后的光纤布拉格光栅温度让温度传感器老化. 这样处理后的光纤布拉格光栅 传感器的温度响应可表示为温度传感器的中心波长与老化前相比较 ,应不大于 ΔλΔλξα ( ( ) ) (αα) - ] 6 K =/T =[++ 1 - Pe s T 0. 2 nm. 2) υ( ) ( 这里 P = n- P+ P]为光纤 /2 [ P 11 12 e eff 12 的有效弹光系数 ,其中 P 和 P 为光纤的弹光系数 ,11 12 υ为泊松比 ,对于纯石英光纤 , P? 0. 22. 本文选用 e 3 实验结果与讨论的封装材料的热膨胀系数远大于光纤材料本身的热 ( )αα膨胀系数 ,即满足 µ ,因此 6 可简化为 s 3. 1 实验原理λξ( )α( )K=[+ 1 - P] 7 T e s 当一束光进入光纤布拉格光栅时 ,根据光栅理 则光纤布拉格光栅温度传感器温度灵敏系数论 ,对满足布拉格条件的光波产生反射 ,该光波的波 K是一个与封装材料热膨胀特性有关的常数. 选用 Tλ长称为光纤布拉格光栅的中心波长 ,光纤布拉格 B - 6 的封装材料的热膨胀系数为 19 ×10 / ?左右 , 理 λ光栅的中心波长 与折射率和光栅周期的关系为 B 论计算值 K为 0. 0287 nm / ?,约是裸光纤布拉格 T 光栅的 3. 1倍. Λλ( )= 2n 1 B eff Λ式中 , n为纤芯有效折射率 ;为光栅的调制 3. 2 实验仪器和过程eff 本次实验采用的是温度升降程序控制器 ,温度 周期. ( )Λ由式 1可以看出 : n与 的改变均会引起反射 升降程序控制器的测量精度为 ?0. 5 ?. 采用的光 eff 光波长的改变. 当光纤布拉格光栅的外界环境发生 纤布拉格光栅长度为 10mm , 裸光纤布拉格光栅和变化的时候 ,就有可能导致光纤布拉格光栅的中心波 镀金的 FB G温度传感器中心波长分别为 1299. 782 长随着温度变化的特性. 由于光纤材料的热光效应 , nm、1286. 424 nm. 光纤布拉格光栅中心波长识别系 光纤布拉格光栅的周期也发生变化 ,从而导致n和 统采用理工光科公司生产的 B GD - L20C 光纤布拉 eff Λ 的变化 ,最终导致光纤布拉格光栅波长的漂移. 不格光栅调制解调器 , 该仪器波长分辨率为几个 pm Λλ 考虑波导效应 , 在 = 2n两边对温度取导数 , B eff左右 ,扫描范围为 1280 ,1305 nm ,扫描频率为几赫 可得 兹 ,其工作环境温度为 - 10 ?,40 ?. λ ΛΛ) ( )(2 d= 2 dn / dT + n d/ dT dT裸光纤布拉格光栅和镀金的 FB G温度传感器 Λλ 用 = 2n除上式 ,可得B eff的低温特性的实验装置如图 2 所示. 实验时 ,将裸 λ Λ d1 dn 1 d 光纤布拉格光栅和镀金的 FB G温度传感器放入温 ( )dT 3 = + λΛ n dT dT 低温物理学报 140 第 28卷 度升降程序控制器中. 温度升降程序控制器的温度,使控制器内的温度逐渐降低 , 每降低 5 ?, 让控度 制器保持恒定温度 10分钟左右 ,温度降到 - 70 ?后 控制为 0 ? , - 70 ?. 我们做了 8 次 0 ?到 - 70 ? 停止降温接着升温 ,升温过程同样是每 5 ?升一次 , 再回到 0 ?的循环实验. 最初做降温过程实验 , 以 在每个温度点让控制器保持恒定温度 10分钟左右 , 0 ?作为温度起始点 ,控制温度升降程序控制器的温 温度最后升高到 0 ?. 同时借助通用的光纤 FC / A PC跳线头接头与光纤布拉格光栅调制解调器相 连 ,通过 R S232 与计算机通讯 , 裸光纤布拉格光栅 和镀金的 FB G温度传感器的中心波长随温度变化 的信息可以在计算机中显示并打印. 由于篇幅的原 因 ,我们取 8 次读数的平均值作为测量结果 ,得到了 两组实验分析的数据 ,实验数据列表如表 1和表 2. 3. 3 实验结果和分析 裸光纤布拉格光栅在 - 70?,0?之间的中心波 图 2 光纤布拉格光栅的低温特性的实验置 长随温度变化曲线如图 3 所示. 从裸光纤布拉格光 表 1裸光纤光栅的波长与温度对应值栅的中心波长随温度变化曲线的关系图中不难发现 温度 / ? 降温时波长值 / nm升温时波长值 / nm在升温过程与降温过程中光纤布拉格光栅的中心波 0 1299. 542 1299. 549 长随温度变化具有良好的线性和重复性 ,相关系数均 - 5 1299. 488 1299. 483 达 0. 999以上 ,并且几乎没有迟滞现象. 另外裸光纤 - 10 1299. 434 1299. 426 布拉格光栅的波长与温度的拟合方程式分别为- 15 1299. 387 1299. 394 λ= 0. 0101 T + 1299. 536 B- 20 1299. 331 1299. 323 于是裸光纤布拉格光栅相应的温度传感灵敏度- 25 1299. 278 1299. 285 - 30 1299. 237 1299. 229 系数 K的平均值为 0. 0101 nm / ?.T - 35 1299. 178 1299. 185 - 40 1299. 132 1299. 127 - 45 1299. 086 1299. 094 - 50 1299. 031 1299. 022 - 55 1298. 989 1298. 979 - 60 1298. 936 1298. 941 - 65 1298. 879 1298. 867 - 70 1298. 835 1298. 835 图 3 裸 FB G在 - 70?,0?其中心波长随温度变化曲线 表 2 镀金 FBG温度传感器的波长与温度对应值 镀金的光纤布拉格光栅温度传感器在 - 70 ?, 温度 / ?降温时波长值 / nm升温时波长值 / nm 0 ?之间的其中心波长随温度变化曲线如图 4 所示.0 1285. 807 1285. 801 - 5 1285. 661 1285. 646 - 10 1285. 516 1285. 507 - 15 1285. 347 1285. 334 - 20 1285. 185 1285. 173 - 25 1285. 011 1284. 998 - 30 1284. 882 1284. 873 - 35 1284. 751 1284. 744 - 40 1284. 601 1284. 587 - 45 1284. 479 1284. 474 图 4 镀金 FB G温度传感器在 - 70?,0 ?- 50 1284. 378 1284. 369 其中心波长随温度变化曲线- 55 1284. 203 1284. 212 从图 4 中不难发现在升温过程与降温过程中镀金的- 60 1284. 104 1284. 099 光纤布拉格光栅温度传感器的中心波长随温度变化 - 65 1283. 947 1283. 955 具有良好的线性和重复性 ,相关系数均达 0. 999 以 - 70 1283. 810 1283. 810 上 ,并且几乎没有迟滞现象. 另外光纤布拉格光栅区间为 0. 0283 nm / ?, 是裸光纤布拉格光栅的 3 温度传感器的波长与温度的拟合方程式分别为倍. 通过实验研究了 - 70 ?,0 ?之间的裸 FB G和 λ = 0. 0283 T + 1285. 773 镀金的 FB G温度传感器的中心波长低温变化特性. B 实验表明镀金的光纤布拉格光栅温度传感器能满足于是镀金的 FB G温度传感器相应的温度传感 飞机恶劣的飞行环境以及对传感器小尺寸的要求 , 灵敏度系数 K的平均值为 0. 0283 nm / ?.T适合低温环境中的应用. 而尽管裸光纤布拉格光栅 裸光纤布拉格光栅和镀金后的光纤布拉格光栅 的中心与温度的变化具有良好的线性关系 ,但是裸 温度传感器的灵敏度系数 K分别为 0. 0101 nm / ? T光纤布拉格光栅的热膨胀系数较低同时又特别脆 和 0. 0283 nm / ?, 而理论分析值分别为 0. 0094 弱 ,直接将其作为传感器会遇到许多的难题 ,因此不 nm / ?和 0. 0287 nm / ?. 裸光纤布拉格光栅灵敏 适合低温环境中的应用. 度系数实际值比理论值略高 ,可能是裸光纤布拉格光 栅测量或移动的过程中受到一定外力作用的影响、光 ( ) [ 1 ] 冯遵安 , 王秋良 , 戴峰等 , 低温物理学报 , 26 2004 , 227.纤纤芯和折射率假定不变以及没有考虑温度对 FB G ( ) 姜德生 , 何伟 , 光电子 ?激光 , 13 2002 , 420. [ 2 ] 的中心波长的影响 ;镀金光纤布拉格光栅温度传感器 ( ) Y. J. RAO , O ptics and L asers in Eng ineering , 31 1999 297. [ 3 ] 灵敏度系数的实验值比理论值低 ,它们的差异主要是 R. C. TENN YSON , T. CORO Y, G. DUCK e t a l. , J C ivic Eng. , [ 4 ] 由于光纤布拉格光栅比封装材料软 ,两者之间非刚性 ( ) 27 2000 , 880. H. NOR ITOMO , S. YA SU KA ZU , ISA T ransactions, 39 [ 5 ] 连接或者存在间隙 ;同时光纤布拉格光栅与封装材料 ( ) 2000 , 169. 热膨胀系数不同 ,从而导致热膨胀不同步 ;另外 ,温度 MURU KESH AN V M , CHAN P Y, ON G L S e t a l. , S ensors and [ 6 ] 和应力对光纤光栅的耦合作用没有考虑. ( ) A ctua tors, 79 2000 , 153. ( ) 张晓晶 ,武湛君 ,张博明等 ,光学技术 , 31 2005 , 497. [ 7 ] ( ) 毕卫红 ,李卫 ,傅广为 ,光电子 ?激光 , 14 2003 , 781. 4 结论[ 8 ] 刘震 , 朱亚军 , 周岳亮 , 戴守愚 , 王淑芳 , 低温物理学报 , 27 [ 9 ] ( ) 2005 , 188. 本文在光纤布拉格光栅表面镀金 ,研制了一种 FB G温度传感器 ,它的温度灵敏系数 K在线性变化T LOW TEM PERATURE PRO PERT IES O F F IBER BRAGG GRAT ING 3 TEM PERATURE SENSO R W ITH PLAT ING GOLD 3Guo M ing2J in J iang D e2SH eng Key L abora tory of F iber O ptic S ensing Technology and Inform a tion P rocessing, W uhan U n iversity of Technology, M in istry of Educa tion, W uhan 430070 ( )R ece ived 28 Novem ber, 2005; revised m anu sc rip t rece ived 15 Feb ruary, 2006 ( ) F ibe r B ragg gra tings FB Gp rep a red in te rm s of a p ha se m a sk techn ique and the FB G temp e ra tu re sen so r w ith p la ting go ld we re in troduced. The cen te r wave length low temp e ra tu re p rop e rtie s of the ba re F ibe r B ragg gra ting and the FB G temp e ra tu re sen so r w ith p la ting go ld from - 70 ? to 0 ? we re re sea rched by the exp e rim en t. F rom the exp e rim en ta l re su lts it cou ld be seen tha t the re is a ve ry good linea rity and p refe rab le rep ea tab ility be tween the cen te r wave length sh ift of the ba re FB G and the FB G temp e ra tu re sen so r w ith p la ting go ld and the temp e ra tu re change from - 70 ? to 0 ?, and the re is a lmo st no hyste re sis effec t. The sen sitivitie s of the ba re FB G and the FB G temp e ra tu re sen so r w ith p la ting go ld Ka re 0. 0101 nm / ? and T 0. 0283 nm / ? re sp ec tive ly. The ir p e rtinence coeffic ien ts a re mo re than 0. 999. Key word s: Gu ided and fibe r op tic s, op tica l fibe r B ragg gra ting, p ha se m a sk, encap su la ting techn ique, p rop e rtie s of low Temp e ra tu re PACC : 0720M , 4280L , 4281 P ( ) 3 P ro jec t suppo rted by the N a tiona l N a tu ra l Sc ience Founda tion of Ch ina Gran t No. 50179029 .