牛文谦，马耀远，吴 宇，袁子琳，龚 元，饶云江

(电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室，成都611731)

光纤光栅传感器以其无源、体积小、抗电磁干扰、耐腐性强、复用能力强等优点广泛应用于工业控制、土木结构、消防安防以及能源化工等领域［1－3］。

光纤布拉格光栅(FBG)作为应变传感器在实际工程应用中会同时受到温度与应变的影响［4］，不同的封装材料和封装方式对光纤光栅的具体测量性能都有较大影响［5－6］。国内目前已有一些光纤光栅应变传感器，如哈尔滨工业大学［7］、大连理工大学［8］、北京工业大学［9］、昆明理工大学［10］都制作了各种结构封装的光纤布拉格光栅应变传感器，这些传感器都是针对常温下的应变测量，然而在航空航天、石油开采等领域，通常需要在高温条件下的接触式应变测量，传统的光纤光栅应变传感器难以满足高温条件下长期存活和精确测量［11－13］的要求，尤其是传统胶水封装的光纤光栅应变传感器在高温条件下的稳定性问题一直无法解决。应变传感器中，通常采用双光栅串连进行温度补偿，使用一定的方法隔离光栅与基片［14－16］，本文采用双光栅串联方式提出一种全新的更有效简单的结构，针对应用于高温条件下FBG应变传感器的应变和温度串扰，以及高温条件下的长期稳定性和测量重复性等问题开展了实验研究。

本文以耐高温聚酰亚胺涂层FBG为基本敏感元件，采用无胶化特殊封装方式，通过基底结构设计实现了高温环境下应变精确测量时的温度变化补偿。通过高温环境下应变实验验证了基于该结构的FBG高温应变传感器的测量精度、线性度、重复性等主要性能指标，本文的研究对于光纤光栅传感器在高温应变测量领域的实际应用具有一定的参考价值。

1 结构及理论仿真分析

FBG传感器的基本原理是当宽带光入射到光栅上时，满足Bragg反射波长的光会被光栅反射而反向传输，由于作用于FBG的温度、应变等外界物理量可以改变光栅的周期长度，从而改变Bragg反射波长，因此通过检测Bragg波长的漂移量即可得到外界物理量的变化大小。

Bragg波长与温度、应变的变化关系可表示为［3］:

式中 ΔλB表示应变引起的 λB的漂移大小，pε为FBG的有效折射率，ε为轴向应变，α为光纤Bragg光栅的热膨胀系数，ξ为光纤Bragg光栅的热光系数，ΔT为温度变化量。

本文所述FBG高温应变传感器的应变金属基片为高弹性不锈钢材料，结构如图1所示，FBG1为应变测量光栅，FBG2为温度补偿校正光栅。无胶化特殊方式封装时需要利用特殊的加热工具严格控制加热区域和时间，否则会损坏涂覆层甚至光栅;结构图区域1的宽度大小的设计是为能够了获取足够的加热温度以及控制加热范围;结构图中区域3的半回型结构设计一方面是为了提高应变灵敏度［17］，同时降低由于光栅预应力产生的应力松弛效应，使传感器具有长期稳定性和抗弯曲性;结构图区域2的T型结构设计一方面极好的屏蔽了应力作用于补偿光栅上，同时紧凑的整体结构尤其能在动态变化的应用场合下实现快速的温度响应。利用ANSYS有限元分析软件仿真，在应变基片两端依次施加5 N、10 N、50 N、100 N的拉力，分别如图2(a)～2(d)所示，结果显示温度补偿光栅所在的基片区域几乎没有应变变化，具有极好的温度校正效果。该结构的温度补偿原理如下:

图1 应变传感示意图

图2 ANSYS仿真传感器基片各点应变示意图

FBG1的波长漂移由拉伸应变增量Δλε和温度产生波长漂移增量ΔλT共同产生Δλ=Δλε+ΔλT。对于FBG1初始波长为λFBG1，灵敏度μ1，温度产生波长增ΔλT1=μ1ΔT，对于 FBG2 初始波长为 λFBG2，灵敏度 μ2，温度产生波长增 ΔλT2=μ2ΔT，ΔλT1=(μ1/μ2)ΔλT2，也即Δλ=Δλε+(μ1/μ2)ΔλT2。记基准温度T0，对于FBG2有波长增量 Δλ02=KTΔT0，其波长 λ02=λFBG2+Δλ02，对于FBG1 则有:Δλ01=KεΔε+KTΔT0，其波长 λ01=λFBG1+Δλ01。以T0为基准进行温度补偿，即温度为Tx时，Tx由拟合方程得到，λx为记录的波长，λ'x为补偿后的波长，则有:λ'x=λx+(Tx－T0)(μ1/μ2)。

2 实验分析

2.1 温度系数标定实验

实验中使用上述结构无胶化封装的FBG高温应变传感器(其中:FBG1为应变温度同时作用的光栅，FBG2为温度补偿光栅)和一只UV胶封装的FBG应变传感器(FBG3)进行高温温度传感性能对比，有胶和无胶化封装的应变传感器均采用相同的应变传递基片。将两只传感器同时放置在高低温循环箱中进行温度循环实验，实验结果如图3(a)所示。由图3(a)看出在80℃内应变传感器Bragg光栅的中心波长与温度呈线性关系，温度在80℃以上时高温应变传感器中FBG1和FBG2的中心波长与温度呈线性关系，而FBG3线性度已经发生了明显的变化。其中应变测量光栅FBG1的温度灵敏度为25.4 pm/℃，温度补偿光栅FBG2的温度灵敏度为23.2 pm/℃，线性拟合度分别为R2=0.999 2和R2=0.999 6。

图3 采用无胶化封装和UV胶封装的应变传感器FBG在－20℃ ～250℃内的温度特性曲线

由于实验用高温炉在150℃以上时，其升温过程温度变化是非线性的，因此，我们采用在降温过程中进行随机温度记录，实验结果如图3(b)所示。由图3(b)可以看出FBG1和FBG2在250℃环境内中心波长与温度呈线性关系，温度灵敏度分别为28.8 pm/℃和 27.1 pm/℃，拟合度均为 R2=0.999 8。可以看到FBG1和FBG2在图3(b)中的温度灵敏度要略高于图3(a)中的温度灵敏度，这是因为高弹性不锈钢在越高的温度下热膨胀系数越高，使得其温度灵敏度增加。通过多次重复实验，该高温应变传感器具有良好的重复性。根据上述实验结果可以获知:在250℃内该高温应变传感器光纤Bragg光栅中心波长的漂移量与温度之间呈线性关系，可用于高温应变测量时的温度校正。

2.2 静态应变测量实验

实验分为室温环境实验和高温环境实验。在静态应变测试实验中，用夹具将光纤Bragg光栅高温应变传感器一端固定竖直放置，传感器另一端通过夹具连接一个砝码托盘，增减砝码来增减载荷，每次增加和减少的砝码重量为2 N，高温应变实验环境通过并行钨灯管照射获取。

图4为室温环境下光纤Bragg光栅中心波长与载荷之间的关系曲线图。其中FBG1+表示增加载荷，FBG－表示减少载荷。由图4可以看出，光纤Bragg光栅高温应变传感器在室温(26℃)条件下中心波长的漂移量与载荷之间呈线性关系，增减载荷曲线几乎重合，FBG2未受载荷的影响。增加载荷和减少载荷灵敏度分别为379.7 pm/N和381.1 pm/N，线性拟合度分别为R2=0.999 2和R2=0.999 6。减少载荷过程的灵敏度比增加载荷过程略大，这是由于基片拉伸变形后恢复过程对灵敏度造成微小影响。

图4 室温环境下波长－载荷关系示意图

高温下的应变测量实验，通过并行钨灯管照射可使环境温度由室温(26℃)上升至250℃左右，由于空气流动的影响会造成温度浮动变化。图5(a)是在高温下光纤Bragg光栅中心波长的漂移量在增加载荷时的变化曲线，通过温度补偿校正，光纤Bragg光栅高温应变传感器增加载荷过程灵敏度为369.4 pm/N，拟合度R2=0.999 8，与常温下的灵敏度相差2.8%。图5(b)为在高温下光纤Bragg光栅中心波长的漂移量在减少载荷时的变化曲线。通过温度补偿校正，光纤Bragg光栅高温应变传感器减少载荷过程灵敏度为372.6 pm/N，拟合度 R2=0.999 2，与常温下的灵敏度相差2.3%。通过多次重复实验其灵敏度与常温下的相差均不超过3%。

图5 高温环境下传感器中心波长随载荷变化的特性曲线图

结合温度灵敏度标定实验结果可以获知高温实验环境在250℃左右，同时根据实验结果可以看出FBG2实验结果和ANSYS仿真结果一致，不受应变影响。该高温应变传感器的应变灵敏度和常温下的灵敏度有一些差别，温度升高和计数误差导致了灵敏度上的差异。该高温应变传感器降低载荷过程线性度良好，高温下高弹性不锈钢应变底座的形变恢复会对灵敏度产生影响。通过多次重复实验，高温应变传感器恢复到常温状态时中心波长偏移量与室温对应的波长值误差不超过±5 pm。实验结果表明，基于该结构和该封装方式下的光纤Bragg光栅高温应变传感器能够在高温下很好的响应物体的拉伸应变，进行温度自校正。

2.3 动态应变响应实验

通过动态应变响应实验证明所述FBG高温应变传感器具有良好的动态响应性能。实验中使用的应变传递底板尺寸为1 mm×30 mm×200 mm，在拉力试验机上，应变底板所受载荷F与应变ε的关系可以表示为:ε=ΔL/L=(F/A)/E。其中，A为测试底板的横截面积，E为材料的杨氏模量。

实验中，我们采用C型夹具将应变传感器固定在测试底板上，测试底板两端固定在拉力机上。当拉力机对测试底板施加载荷时，测试底板产生的应变将传递到FBG高温应变传感器上，PC机自动记录拉力机的载荷输出曲线，解调仪(频率为250 Hz)自动记录FBG高温应变传感器的中心波长变化。实验发现，在拉力机施加载荷变化时，由图6(a)所示，温度补偿光栅FBG2不受应变传递的影响具有很好的温度自校正能力;由图6(b)所示，FBG高温应变传感器获得较好的波长响应曲线，能够实现应变的动态测量。

图6 FBG高温应变传感器的应变响应曲线

3 结论

本文提出了一种具有良好温度补偿结构的光纤Bragg光栅高温应变传感器，采用低温焊料无胶化封装工艺，可用于高温环境下高精度应变测量。由于安装方式的不同会影响应变传递的效果，故该传感器的实际应变灵敏度需要根据安装方式来确定。而本文所述传感器在常温拉伸应变灵敏度约为379.7 pm/N，线性度 R2=0.999 2;高温环境下温度补偿校正后的拉伸应变灵敏度约为369.4 pm/N，线性度R2=0.999 2。多次重复实验结果显示高温与常温下的灵敏度相相差均不超过3%。本文研究结果表明基于该结构和封装工艺的FBG高温应变传感器可应用于250℃环境下大型机械等接触式高精度应变测量，另外该结构简单能够实现批量生产，对高温环境下的工程应用具有很好的实用价值。

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