金属微细管封装光纤Bragg光栅温度传感器的特性研究

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【摘要】 设计并实现了一种金属微细管封装的光纤bragg光栅温度传感器，并通过光矢量分析仪、恒温箱以及拉伸试验机对该温度传感器的光学、温度以及抗拉性能进行了测量。实验结果表明：在-20℃～150℃的温度范围内，其温度灵敏度系数为10.42pm/℃（±0.01 pm/℃）、重复度为±1℃、精度为±0.2℃、线性度优于0.9991；可承受拉力大于100N。该封装工艺结构简单，实用性强，满足电力工程环境下的温度测量与监控要求。

【关键词】 光纤光栅 温度传感 封装工艺 金属微细管

一、引言

随着社会用电量的大幅增加，在发电厂、变电站以及城市配电网中，变压器、高压开关柜、刀闸、互感器等高压电气设备的应用日益广泛。但由于电网负荷增大时，连接部位会发热膨胀、升温氧化以及接触电阻增大，会进一步导致升温，引起断路、短路，甚至火灾，因此高压电气设备以及相互之间的连接部位是整个电网中最为薄弱的环节[1-2]。

光纤光栅传感器具有尺寸小、重量轻、灵敏度高、线性度好、抗电磁干扰、耐腐蚀、无电火花等优点，可以在易燃易爆、电磁等复杂环境中服役，且对波长绝对编码、集传感和传输于一体。同时，传感器在特定的温度变化范围内可重复使用，极大的降低了系统成本和维护费用。

二、原理与工艺

2.1 测量原理

光纤光栅是利用光纤的光敏特性，采用紫外曝光的方法，在光纤纤芯上形成折射率沿轴向周期性分布的光无源器件，外界温度改变会引起光纤光栅 Bragg波长漂移。不考虑外界因素的影响时，弹光效应以及波导效应不对光纤光栅的波长漂移造成显著影响，若不考虑温度对热膨胀系数和热光系数的影响，则光纤光栅温度灵敏度系数为一常量，光纤光栅Bragg波长的漂移量与温度的改变成正比[3]。实时测量时，利用光检测仪器测量光纤光栅的反射或透射谱的波长变化，便可精确获知光纤光栅所处位置的温度。

2.2 封装工艺

光纤光栅为自行制备，光纤选择普通G.652光纤，为提高光纤的光敏性，先将其置于13MPa的氢舱中载氢3个月；采用相位掩膜法，使用1070 nm的相位模板和244nm的紫外光在光纤上刻制光栅；光纤光栅的栅长为11mm，采用高斯切趾以抑制旁瓣；完成刻制的光纤光栅须放入120℃的恒温油槽进行24小时的退火，以提高其性能稳定性。

由于光纤光栅外径极细、质脆，且抗剪能力差，为满足电力工程环境应用的要求，在选择光纤光栅温度传感器的封装工艺时，需兼顾温度传感器的重复性和线性度、机械强度、稳定性以及隔离应力对波长的影响等因素[4]。本实验中，温度传感器采用金属微细管封装结构，其原理是将光纤光栅本体悬空固定于金属微细管中，以隔离外界应力对波长的影响；使用环氧树脂以管内注胶的方式将某型玻璃纤维编织物（防磨、防酸、防晒、防霉、阻燃、耐高温、抗老化）与引出光纤、金属微细管互相粘连固定，玻璃纤维编织物起到松套管的作用，以提高光纤光栅温度传感器在金属微细管喇叭口附近的抗剪能力和引出光纤的生存能力。

同时配以专门设计的“手枪”形固定装置，即可将温度传感器安装于电力工程中断路器手车的梅花触头上，该温度传感器在断路器手车梅花触头上的具体应用如图1所示。

三、实验及分析

本实验共封装了八根传感器，其中U1～U4四根传感器用于光学、温度性能测试，U5～U8四根传感器用于抗拉性能测试。

3.1 光学性能测试

采用LUNA OVA（光矢量分析仪）对U1～U4四根光纤光栅进行光学性能测试。光学性能测试结果表明：四根传感器反射率均大于75%，半高全宽（FWHM）为0.25nm（±0.05nm，高斯切趾），边模抑制比（SMSR）均大于15dB，U1～U4的反射谱如图2所示。

3.2 温度性能测试

利用恒温箱，采用水浴法对U1～U4四根传感器进行温度性能测试，测试曲线如图3所示。

温度性能测试结果表明：四根传感器在-20℃～150℃的测试范围内有良好的温度特性，温度灵敏度系数为10.42 pm/℃（±0.01 pm/℃）、温度重复度为±1℃、温度精度为±0.2℃、线性度均高于0.9991。

3.3 抗拉性能测试

采用拉伸试验机对U5～U8四根传感器进行抗拉性能测试，四根传感器均采用管内注胶方式，测得其最大承受拉力分别为110N、112N、100N、104N，具备良好的抗拉性能。

综上分析，本实验设计并实现的光纤Bragg光栅温度传感器的光学、温度以及抗拉性能均已满足电力工程环境中的应用要求。

四、结束语

本文设计并实现了一种金属微细管封装的光纤Bragg光栅温度传感器并测试、分析了其传感性能。

实验结果表明，该温度传感器具备良好的光学、温度以及抗拉性能，满足电力工程环境下的温度测量与监控要求，并且已实际应用于电力工程中断路器手车的梅花触头上。

参 考 文 献

[1] June-Ho Lee， Soo-Gil Kim， et al. Investigation of fiber Bragg grating temperature sensor for applications in electric power systems[C]. Properties and applications of Dielectric Materials， 2006：431-434.

[2] 万贤杰. 基于可调谐光源的光纤光栅温度监测系统在电网上的应用[D]. 中国科学技术大学，2006. 05：1-2

[3] 贾振安，乔学光，傅海威，等.光纤光栅温度增敏技术[J]. 西北大学学报（自然科学版），2003，33（4）：413-415

[4] ZhouZ， ZhaoXF， WuZJ， et al. Study on FBG sensor’s steel capillary encapsulating technique and sensing properties[J].Chinese Journal of Lasers， 2002， 29（12） ：1090-1092.