任伟 彭仁军 张东旭 刘艳阳

(1 上海卫星工程研究所，上海 201109)(2 北京航天时代光电科技有限公司，北京 100094)

目前，航天器普遍采用热敏电阻、热电偶等传统温度传感器测量温度，测点测量精度高，应用成熟。航天器向功能综合化、智能化和高精度的方向发展，需要提高温度环境的监测和保障能力。尤其是微小卫星，更需要轻量化、高功能密度的测温技术。传统的高精度、单点测温方式，每个测点均需要2根导线，在测点多、测点密集的情况下，过多的测温电缆给航天器集成带来不便和难度。例如，对于大面积的展开式微波载荷来说，航天器外天线的测温电缆有时多达数百根，不利于展开机构展开。

光纤因其抗电磁干扰、体积小、质量小等特点，被发展各式传感器，在结构监测等领域得到应用[1-9]，温度传感器是其中的典型应用[4-9]。传统光纤测温技术主要基于拉曼散射原理，多应用在矿山、电厂等环境[5，7，9]，温度采集精度低或测点位置精度不高，不适合航天器应用。光纤光栅(FBG)是一种新兴的基础性光纤器件[1-2]，可以利用其温变特性制成温度传感器，实现一根光纤上对多点进行测温，能大大减小测温系统的质量和电缆复杂度，可作为提高航天器模块化集成的有效途径之一。不过，目前尚未查到光纤光栅温度传感器在航天器测温中的应用研究。本文面向航天应用，介绍了光纤光栅传感测温方案的原理，讨论了方案设计中的关键问题，并试制了光纤光栅测温系统，完成了系统的标校和应用试验，可为航天器温度测量设备减重提供设计参考。

1 航天器光纤光栅测温方案

针对航天器应用，光纤光栅测温方案重点要建立系统构架，并解决光谱分配、传感器方案、定标与温度获取方法等关键问题。

1)系统方案

光纤光栅是一种光纤器件。当宽带连续光脉冲在光纤传输过程中传输到光纤光栅时，光栅会有选择性地反射一个窄带光，而让剩余的宽带光脉冲透射过去，如图1所示。根据光栅布拉格周期Λ，2个后向传输模式之间形成满足布拉格条件的特定中心波长λB的反射波，相当于纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。反射波的中心波长[10]满足

λB=2neffΛ

(1)

式中：neff为纤芯有效折射率。

注：n为折射率；n0为真空折射率；n1为包层折射率；n2为纤芯材料折射率；n3为光栅等效折射率；P为光谱响应强度；λ为波长。

图1 光纤光栅测温原理

Fig.1 Principle of fiber grating temperature measurement

光纤光栅测温中不同的传感器通过光谱特征分辨，因此可实现一根光纤上串接多个传感器，并且可利用分路合路器实现单套光源、探测器和信号处理电路对多路光纤的数据采集，系统结构如图2所示。单根光纤所串接的传感器数量p取决于光源带宽、测温范围、测温精度、光探测器扫描步长等因素。单根光纤不足时，可增加测量通道满足测温点数需求。

图2 光纤光栅测温系统示意Fig.2 Fiber grating temperature measurement system diagram

2)测温范围、精度与光谱分配

单根光纤上的传感器回波中心光谱不能发生混叠，因此要根据测温的范围、精度对回波光谱进行分配，并确定单根光纤传感器的数量p。一般，航天器单机工作温度为-15～+55 ℃，考虑适当的工程余量以及部分特殊使用要求，在以上温度范围的基础上外扩20～30 ℃确定航天器内单机的温度测温范围。对于特殊应用环境，可根据解调仪和光栅光谱区间对个别测点温度范围进行扩展。舱内单机温度测量精度在0.1～0.5 ℃，可以满足绝大多数情况下的要求。考虑光纤光栅中心波长间隔、可调谐光源输出光波长范围、单串传感器数量三者匹配，单个光栅传感器数量满足以下条件。

(2)

式中：τ为光源带宽；Tr为测温范围；Tp为测温精度；D为光探测器在满足Tp时所需最小探测步长，由硬件和寻优算法共同决定；c为传感器与传感器之间中心波长工程余量，建议取20%～50%。

3)传感器方案

传感器方案主要讨论传感器的形式、适用光纤类型，以及封装和安装在实际应用中所要注意的关键点。

(1)传感器的形式。航天器温度测量主要用于各单机设备以及关键位置的温度监测，部分测点温度作为温度控制的依据。航天器上单机密集、结构复杂，可供粘贴温度测点的区域相对较小，因此宜采用点式测量。在电缆测温等行业应用的光纤测温方法，可测量沿光纤的温度，但定位精度在1 m以上，无法满足航天器测温的需要[7]，要采用小型铠装光纤光栅传感器，长度、宽度分别控制在5 cm以内，尽量在1 cm以内。

(2)适用光纤类型。在光纤光栅温度传感系统中，解调系统通过反射光光强来确认反射波长的峰值位置。为了保证反射波长的测量精度，反射波长中心反射强度与非反射波长中心强度要具备高对比度，即要求采用高反射率光纤光栅。同时，光纤要具有较好的耐辐照特性，并避免因辐照引起的波长红移影响。掺锗光纤刻制的光栅会因为在辐照下光栅折射率变化而产生明显的波长漂移，而掺氟的纯石英光纤制作的光栅的中心波长在辐照条件下漂移量非常小，在30 000拉德(rad)计量辐照下，波长漂移产生的温度变化小于0.15 ℃。采用掺锗光纤、光敏光纤、掺氟光纤制作的布拉格光纤光栅，在辐照下的波长漂移如图3所示。

图3 不同掺杂光纤光栅中心波长受辐照影响Fig.3 Center wavelength of different doped fiber grating affected by irradiation

(3)封装和安装注意的关键点。由于光纤光栅本身抗剪切能力差，在实际工程应用中需要预先对光纤光栅进行封装处理。目前，封装形式主要有基片式、管式及嵌入式。几种封装形式都要考虑封装材料与被测结构之间的相容，以及应变在光纤光栅传感器各层界面之间的传递特性。传感器在受外力影响发生变形时，会导致光栅产生变形，进而影响测温精度，因此需要避免被测物本身形变对传感器的影响。航天器在轨时一般单机机壳、安装板受力微小，其影响可忽略不计；但传感器用于机械臂等受力部件的温度测量时，需要采取一定的解耦措施，降低或消除应变带来的测量误差。为达到良好的导热效果，宜采用粘贴的方式。例如，采用硅橡胶进行粘贴，在保证粘贴牢固的同时，又能起到一定的消除变形影响的作用。安装过程中，要对每个传感器排布顺序进行记录，按照从中心波长小到大的顺序连接，以利于后期维护和解调仪读取波长。

4)传感器回波光谱与温度的关系

应当注意的是，传感器制作时是先实施光纤光栅刻写，再进行封装。封装过程会对光栅施加一定的预紧力，导致光栅波长发生改变，因此，传感器回波光谱与温度的关系，应在传感器成型后建立，而并非在光纤刻写时进行建立。

传感器反射波中心波长与温度的对应关系，与光纤光栅封装带来的增敏作用、预紧力等都有关。第i(i=1，2，3，…，p)个传感器中心波长和温度的对应关系为

λT,i=λT0+ΔλT0+KT(T-T0)+T0

(3)

式中：λT,i为第i个传感器在温度T时的中心波长，可由光探测器获得；T0为传感器制作时的温度；λT0为光纤光栅在环境温度T0进行刻写时的中心波长；ΔλT0为制作传感器工艺过程对光纤光栅中心波长的影响残值(环境温度T0)；KT为传感器的温度敏感系数，与传感器形式、制作工艺有关。

由于ΔλT0和KT难以精确测量，可将式(2)的常数项合并，则式(3)可写为

λT,i=KT·T+C

(4)

式中：C为合并后的综合常数项。

由式(4)可知，回波中心波长与温度为线性关系，可采用定标的方式获得。将传感器置于可设置温度的恒温箱内，通过测量不同温度时传感器的回波波长拟合出KT和C。至此，就建立了回波中心波长λT,i与温度T的关系。

2 应用实例

本节以星载相控阵天线用测温系统为例，说明光纤光栅测温系统的具体实现。系统设计为由光纤光栅解调仪和光纤光栅传感器两部分组成，包含2个采集通道，每通道具有10个采集点。温度精度设计为0.03 ℃，测温范围为-60～+60 ℃。

2.1 光纤光栅温度传感器

光纤光栅传感器采用红外飞秒激光器刻写纯石英光纤，解调方案基于可调谐激光器设计。

1)光谱分配

本文使用的可调谐光源输出光波长范围为1527～1568 nm，光纤光栅反射波长的温度敏感系数约为10 pm/℃，测温范围为120 ℃，对应波长变化范围为1.2 nm，因此设置每组光纤光栅中心波长间隔应大于1.2 nm，本文设为3 nm，保持光谱余量。

2)封装设计与分析

采用铝合金基片式封装，以保证应变在被测结构与光纤光栅传感器之间更好地进行热传递，见图4。利用有限元分析软件，根据光纤光栅实际尺寸进行建模。光纤光栅应变分布见图5，光纤光栅在拉伸应力下产生的变形，是应变由底端向中间呈阶梯状递减，在较大程度上加持力未改变封装结构的应力分布，封装整体受力分布均匀。此封装具有一定的增敏作用，能提高封装成型后的光纤光栅温度传感器的温度测量精度，以满足更多实际工程应用。

图4 光纤光栅温度传感器封装形式Fig.4 Fiber grating temperature sensor package

图5 光纤光栅应变分布Fig.5 Fiber grating strain distribution

3)传感器标定

将固化完成的光纤光栅温度传感器与信号处理器连接，组成光纤光栅传感系统，并将其置于恒温干燥箱中进行标定。改变鼓风干燥箱的温度，控制在-50～+50 ℃，以10 ℃为步长，记录稳定后光纤光栅温度传感器的中心波长值。根据温度传感器标定试验中所得数据，通过10次以上的循环试验获得温度和波长的对应关系，可以得到温度灵敏系数KT=22.26 pm/℃，如图6所示。

图6 光纤光栅温度传感器中心波长与温度关系

4)测温误差检验

利用FLUKE7381水浴恒温箱设定温度，使用标定完成的光纤光栅对已知温度进行温度测量以得到光纤光栅测量的系统误差和随机误差。对每个温度点进行重复测量10次，计算得到光纤光栅温度传感系统最大系统误差+0.002 ℃，随机误差的最大极端分布范围为±0.004 ℃(分布类型为正态分布，置信概率取99.73%)。该光纤光栅温度传感系统的测温精度满足0.01 ℃的要求。

2.2 系统集成和布设

传输光纤直径为0.9 mm，在某天线板每翼设置10个测点，共20个测点，紧贴天线板设备铺设。布设采用S型走向，避免光纤折弯，见图7。光纤在未加固定前的安装过程中质脆易断，天线板表面结构复杂，传感器的连接采用现场熔接方式进行。使用硅橡胶将光纤及光纤光栅固定在天线板上。

图7 光纤光栅温度传感器测点布设Fig.7 Measuring point layout of fiber grating temperature sensors

2.3 热试验应用情况

以卫星热试验为契机，在光纤光栅测点附近同时布设热敏电阻测点。通过热敏电阻和光纤测点测量结果的对比，判断光纤测温的有效性。以测点1为例，其数据对比如图8所示。在热冲击载荷下二者测量数据呈现出温度差异。初步分析这种差异是温度响应时间不一致，以及光纤测点与热敏电阻测点位置差异等因素的综合结果，但主要是温度响应时间的影响。

图8 光纤光栅测温数据与热敏电阻测温数据对比Fig.8 Temperature measurement data contrast between fiber grating and thermostat

由于光纤测温系统单根光纤可串联多个传感器，在线缆方面比传统的热敏电阻大大节约。20个测点，均远离星体，信号处理单机距离测点最远直线距离达25 m。光纤测温系统质量2.3 kg，具体见表1。

表1 光纤光栅测温方案与热敏电阻测温方案的质量对比

注：1)20个热敏电阻导线总量。

3 结论

本文提出航天器光纤光栅测温方程，分析了其在航天应用中的关键问题，并研制产品完成定标、验证。通过实例说明本文提出的光纤光栅测温方案是可行的，相比传统测温方式可减少连接线缆，降低测温系统的质量，提高系统集成度。特别是对于外部展开附件测温点多的场合，可帮助减少关节处的线缆，避免大束测温电缆对展开机构的影响。

光纤光栅测温在航天应用中，还应注意以下3点。

(1)标定方法。信号处理单机的调试和中心波长的提取误差，会导致系统测温精度损失。比较稳妥的方式是将光纤传感器与信号处理单机串联起来进行系统性联合标定，这样比仅对传感器进行标定更加可靠。大规模工程应用时，传感器和信号处理单机分别进行标定，有利于提高工程研制效率，但需要对传感器和信号处理单机加严标定精度。

(2)规范光纤传感器的固定工艺。光纤传感器的固定方式决定了温度传导的速率，影响光纤传感器的温度响应速度。因此，应对其固定工艺进行规范，避免由于工艺实施的差异性导致测温存在差异。

(3)合理分配光纤传感器光栅刻写时的中心波长。同一根光纤上的光纤光栅传感器回波中心波长需要错开，不发生混叠。对同一个传感器来说，光栅刻写时的中心波长与封装后的中心波长存在差异，因此在刻写时应留有相对充分的余量。

本文工作可为光纤光栅测温系统在航天器上应用提供参考。同时，建议从以下3个方面深化工程应用研究，进一步改进测温效果。

(1)光纤选型。本文实例中选用纯石英光栅，是考虑没有掺杂的情况下，辐照条件下无色心效应，具有很好的抗辐照能力。但是，光纤的选型与光栅传感器的温度敏感性等多方面因素有关，应进行更深入得研究，以形成成熟有效的航天用光纤测温传感器。

(2)温度响应。本文中光纤光栅传感器封装后温度响应相对于热敏电阻差，限制其在一些温度变化比较快的场合下的应用。主要影响因素是传感器封装和传感器的安装工艺。

(3)传感器轻小型化封装。本文中传感器相对较大，具有进一步小型化、轻型化的优化空间。

参考文献(References)

[1] 周建华，张东生，付荣.低温环境下光纤光栅啁啾异常现象研究[J]．武汉理工大学学报(信息与管理工程版)，2010，32(5)：733-737

Zhou Jianhua， Zhang Dongsheng， Fu Rong.Abnormality of fiber bragg grating spectrum at cryogenic temperatures [J]. Journal of Wuhan University of Technology (Informa-tion & Management Engineering)， 2010， 32(5)： 733-737 (in Chinese)

[2] Lee B. Review of the present status of optical fiber sensors [J]. Optical Fiber Technology， 2003， 9(2)： 57-79

[3] Bettini P， Guerreschi E， Sala G. Development and experimental validation of a numerical tool for structural health and usage monitoring systems based on chirped grating sensors [J]. Sensors， 2015， 15(1)： 1321-1341

[4] 彭超，赵健康，苗付贵.分布式光纤测温技术在线检测电缆温度[J].高电压技术，2006，32(8)：43-45

Peng Chao， Zhao Jiankang， Miao Fugui. Distributed temperature system applied in cable temperature mea￣surement [J]. High Voltage Engineering， 2006， 32(8)： 43-45 (in Chinese)

[5] 王宏亮，宋娟，冯德全，等．应用于特殊环境的光纤光栅温度压力传感器[J]．光学精密工程，2011，19(3)：545-551

Wang Hongliang， Song Juan， Feng Dequan， et al. High temperature-pressure FBG sensor applied to special environments [J]. Optics and Precision Engineering， 2011， 19(3)： 545-551 (in Chinese)

[6] 杨秀峰，张春雨，童峥嵘，等．一种新型光纤光栅温度传感特性的实验研究[J].中国激光，2011，38(4)：141-144

Yang Xiufeng， Zhang Chunyu， Tong Zhengrong， et al. Experimental research of temperature sensing properties of a novel fiber grating [J]. Chinese Journal of Lasers， 2011， 38 (4)： 141-144 (in Chinese)

[7] 肖恺，李平，罗巧梅，等.分布式光纤测温系统在电缆温度监测中应用[J].现代电子技术，2014，37(12)：153-159

Xiao Kai， Li Ping， Luo Qiaomei， et al. Application of distributed fiber temperature detecting system in temperature monitoring of cable [J]. Modern Electronics Technique， 2014， 37(12)： 153-159 (in Chinese)

[8] Fedor Mitschke. Fiber optics： physics and technology [M]. Heidelberg： Springer， 2010： 251-252

[9] 陈义涛，黄耀英，马金宝.施工期混凝土坝光纤测温疑点识别准则设计及应用[J].水利发电，2016(12)：60-64

Chen Yitao， Huang Yaoying， Ma Jinbao. Design and application of recognition criterion for doubtful concrete dam temperature measurement data of distributed optical fiber during construction period [J]. Water Power， 2016(12)： 60-64 (in Chinese)

[10] 赵强.基于光纤光栅的海洋温盐深探测技术研究[D].长春：长春理工大学，2013

Zhao Qiang. Study on marine CTD detecting technique based on optical fiber gratings [D]. Changchun： Changchun University of Science and Technology， 2013 (in Chinese)