黑龙江大学自然科学学报
JOURNAL OF NATURAL SCIENCE OF HEILONGJIANG UNIVERSITY Vol.28No.5October ，2011金属管封装光纤光栅温度传感器特性的实验研究
余有龙，李德明，张
林（合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥230009）摘要：介绍了光纤光栅温度传感器的金属管封装技术，通过实验研究其温度传感特性。采用
热膨胀系数不同的内径r =1mm ，壁厚d =0.5mm ，长度L =100mm 管式结构的金属材料对光纤光
栅进行贴壁封装实验时，得到黄铜管封装的传感灵敏度为14.9pm /ħ，紫铜管封装的为
14.6pm /ħ，不锈钢管封装的为12．0pm /ħ，它们分别是裸光栅的1.66倍、1.62倍和1.33倍，意味着热膨胀系数大的封装材料传感灵敏度更高。实验表明，轴向封装的光栅，传感灵敏度还与其同
管内壁的间距有关，间距越小灵敏度越高。
关键词：光纤光栅；温度传感；封装；灵敏度
中图分类号：TP121文献标志码：A 文章编号：1001－7011（2011）05－0737－04
收稿日期：2011－05－23
作者简介：余有龙（19－），男，教授，博士，博士生导师，主要研究方向：光纤技术，
E-mail ：youlongyu@163．com 0引言
温度是常见的物理量，光纤光栅（Fiber Bragg Grating ，
FBG ）一问世便被用来对其进行传感［1］。其灵敏度高、动态范围宽、可靠性强，适合用于强磁场、潮湿甚至辐射场合。裸光栅非常脆弱，需经适当封装才具实用
性。常见的封装形式有片状封装［2］、管状封装［3］、盒状封装［4］，所用封装材料有金属、聚合物［5］等。管状封
装有单端和双端两种封装形式。两者均可形成网络监测，单端封装组网时常采用并接方式，传感元间性强，不会相互影响，但同一根光纤上仅能串接一个光栅。双端封装组网时多采用串接方式，传感器之间协同工作，但性不强，一个传感器发生异常可能会影响级联着的其它传感元的正常工作。金属管封装方式，由于结构紧凑、体积小、强度高、导热快、布设方便而广受关注。虽然该封装形式早有报道，但封装工艺对传感结果的影响还鲜见报道。
本文探讨封装材料导热性能和封装结构的变化对传感结果的影响。论文内容有益于该功能传感器尺寸的优化以及性能的进一步提高。
1管状封装的FBG 温度传感的工作原理
对于单层圆筒壁，均匀受热，其管壁各处温度的分布是均匀的，假设实验过程不破坏系统的热平衡，此
时，温度对时间的微分方程为
［6］d T d t =ΓA V （T f －T ）ρc p （1）
式中T f 为环境温度，T 为管壁的温度，Γ为水与金属表面的换热系数，A 为金属管的表面积，ρ、
c p 、V 分别为金属材料的密度、比热容和体积。解（1）式得
T f －T T f －T 0=exp －ΓA ρc p V ()t （2）
其中，
T 0为t =0时管壁的温度。从（2）式可以看出，对于贴壁封装，若封装结构相同，则ρc p 越小，其管内壁升温越快。即封装材料的蓄热能力越小，传感元响应越快。
对于同轴封装，可看成双层圆筒结构封装，内圆筒为空气层而已。此时
T f －T'T f －T 1=exp －Γ（2d +2d'+r 1）ρc p （d +2d'+r 1）d ()t （3）
其中T'为金属管轴向温度，
t =0时T'=T 1，d 为壁厚，d'为光栅与管内壁的间距，r 1为光纤直径。由（3）式可知，同材质、同壁厚的封装材料，光栅与管内壁的间距越小，光栅处升温越快。
轴向应变为0时，温度对FBG 波长漂移的总影响为［1］
ΔλΒλΒ
=（α+ε）ΔT （4）式中α为光纤材料的膨胀系数，ε为光纤的热光系数。
令K T =（α+ε）λΒ，则它为该传感器的灵敏度系数。此时（4）式变为
ΔλB =K T ΔT
（5）封装不影响FBG 的热光系数，假设封装材料的热胀系数αs 大于光纤材质的热胀系数，则封装材料的热胀是通过对光栅轴向的拉伸而作用于光栅的。不计粘胶剂的影响，此时，
K T 可修正为［3］K T =［ε+α+（1－p e ）（αs －α）］λB （6）
其中p e 为光纤的有效弹光系数。
（6）式意味着热膨胀系数大的封装材料对应较高的传感灵敏度。由（2）可知，相同材质、壁厚和长度的不锈钢管，光栅和管内壁的间距越小，管壁升温越快，光栅受管壁热膨胀产生的轴向拉力更大，对应更大的布
拉格波长的漂移，
即光栅与管内壁间距越小传感灵敏度越高。2金属管封装
选用不同热膨胀系数的金属管进行封装，制作了两组FBG 温度传感头。第一组是采用贴壁封装方式，所用金属管是具有相同内径、相同壁厚的紫铜管、黄铜管和不锈钢管，先将该组传感器的光栅两端用硅橡胶固定（如图1所示），以确保光栅平直贴于管内壁。然后，用硅橡胶将金属管两端的光纤固定，固定时使靠近金属管两端的光纤尽量松弛，不受拉力。第二组是采用同轴封装方式，所用金属管是具有不同内径，但相同壁厚的不锈钢管，先将光栅的两端用硅橡胶固定（见图2所示），以确保FBG 平直置于管的轴线位置。再用硅橡胶将金属管两端的光纤固定，固定时使靠近金属管两端的光纤处于松弛状态，不受拉力
。
由于靠近管两端的光纤处于松弛状态，对外界应力有缓冲作用，因此管内FBG 受到外界应力的影响较小，可忽略不计。封装后金属管、光纤和硅橡胶封装在一起，金属材料的热膨胀系数很大，当温度增加时，金
属管膨胀，FBG 会受到拉应力，引起传感光栅布拉格波长的漂移，起到温度增敏的作用。
3
光纤光栅温度传感实验
搭建图3所示的实验装置，其中光谱仪的波长分
辨率为0.02nm 。所用光栅的长度为1cm ，
20℃时其布拉格波长为1560.80nm ，带宽为0.22nm ，反射率大
于80%。所用宽带光源为LED ，其输出功率为14μW ，
带宽75nm ，中心波长为1524.00nm 。
实验中采用功率可调电炉加热，用来改变传感器
的探测温度。将封装好的FBG 温度传感器平直放在
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电炉的一侧，室温下开始加热，从40ħ开始记录数据，加温间隔为5ħ，一直加热到100ħ，然后进行相同温度间隔的降温实验。升温与降温过程缓慢，可认为是准静态过程。为了减小由温度不平衡带来的误差，均在恒温后记录每个温度点对应的FBG 布拉格波长。
3.1温度传感特性
先对第一组温度传感器进行测试。该组传感器的金属管内径r =1.0mm ，壁厚d =0.5mm ，长度L =100mm 。图4为40 100ħ范围内获得的传感器的布拉格波长随温度变化的实验关系。从图中可以看出，封装
后的FBG 温度传感器有较好的重复性；其工作波长与待测温度呈线性关系，
相关系数均达0.994以上。经线性拟合，得到裸光栅的温度灵敏度为9．0pm /ħ，黄铜管、紫铜管和不锈钢管贴壁封装的温度灵敏
度分别为14.9pm /ħ、14.6pm /ħ和12pm /ħ，三者较裸光纤光栅分别提高了1.66、
1.62和1.33倍。测试第二组封装的传感器，获得各自的布拉格波长随温度变化的实验曲线如图5所示。所用金属管的壁厚d =0.15mm ，长度L =100mm ，不锈钢管1的内径r =0.232mm ，不锈钢管2的内径r =0.390mm ，不锈
钢管3的内径r =0.560mm 。经线性拟合，得到三者的传感灵敏度分别为10.2pm /ħ、
9.8pm /ħ和9.7pm /ħ。与裸光纤光栅相比，三者的传感灵敏度分别提高了1.13、
1.09、1.08倍
。对于纯石英光纤，p e 的值约为0.22，α=0.55ˑ10－6/ħ，ε=6.67ˑ10－6/ħ，黄铜管的热膨胀系数为
17.8ˑ10－6/ħ，紫铜管为17.2ˑ10－6/ħ，不锈钢管为15ˑ10－6/ħ，由（6）式可算出三种金属管封装FBG
的传感灵敏度分别为32.7pm /ħ、32.0pm /ħ和29.3pm /ħ，裸光栅对应的为11.9pm /ħ。实测值与理论
值间存在偏差，原因主要是：1）光栅与金属间非刚性连接；2）金属材料热膨胀产生的拉应力在传递过程中有损失；3）温控和标定精度不高。后者是引起裸光栅的实测值偏离理论值的主要因素。
3.2时间响应特性
将两组传感器分别从室温移至75ħ的水中，用光谱仪连续扫描，观察光栅布拉格波长的变化，记录波长漂移所需的时间。
两组传感器各测试5次，取平均值作为传感器样品的响应时间。对于第一组传感器，紫铜管、黄铜管、不
锈钢管封装对应的响应时间分别为3.8s 、
4.0s 和4.5s 。三种金属管的密度分别为8.9ˑ103kg ·m －3、8.85ˑ103kg ·m －3和7.75ˑ103kg ·m －3，比热容分别为383.6J ·kg －1·K －1、
394J ·kg －1·K －1和510J ·kg －1·K －1，Γ取1000W ·m －1·K －1，由（2）式计算出管内壁温度达到与环境温度相差0.5ħ时所用的时间分别为
3.56s 、3.6s 和
4.1s 。实验结果与理论分析基本吻合。可见，传感器的时间响应与封装材料的蓄热能力有关，蓄热能力越小传感元响应越快。而导热系数的大小对其影响不明显。
同样可测得第二组传感器中不锈钢管1、不锈钢管2、不锈钢管3的响应时间分别为2.5s 、
2.8s 和
3.0s 。由（3）式计算出光栅温度达到与环境温度相差0.5ħ时所用的时间分别为2.1s 、2.3s 和2.6s ，实验结果与
理论分析相符。可见，传感器的响应时间与光栅和管内壁的间距有关，间距越小传感元响应速度越快。
对于两组传感器，响应时间的实测值比理论值稍大，主要原因如下：1）光谱仪存在扫描时间；2）传感器进入恒温环境与计时开始不同步；3）光栅布拉格波长达到预定值与计时结束不同步。
·937·第5期余有龙等：金属管封装光纤光栅温度传感器特性的实验研究
4结论
对FBG 温度传感器进行贴壁封装和同轴封装，实验表明：1）选用热膨胀系数大的金属管封装有利于提
高其传感灵敏度，黄铜管、紫铜管和不锈钢管贴壁封装的FBG 传感灵敏度分别提高了1.66、
1.62和1.33倍。同轴封装对应的传感灵敏度还与光栅和管内壁的间距有关，选用内径较小的金属管有利于提高系统的传感灵敏度。2）选用蓄热能力小的金属管封装有利于提高其响应速度，紫铜管、黄铜管、不锈钢管的响应时
间分别为3.8s 、4.0s 和4.5s 。对于相同材质、相同壁厚的金属管同轴封装，响应时间还与光栅和管内壁的
间距有关，
间距越小响应速度越快。文中采用硅橡胶作为粘胶剂，不利于应力的传递，选用抗剪强度较高的刚性粘胶剂更有利于传感器的增敏。管状封装FBG 传感器结构简单、使用方便，有广阔的应用前景。
参考文献
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Experimental study on the characteristics of fiber Bragg grating
temperature sensor packaged with metal tube
YU You-long ，LI De-ming ，ZHANG Lin
（School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering ，Hefei University of Technology ，Hefei 230009，China ）
Abstract ：The techniques of fiber Bragg grating （FBG ）packaged with metal tubes are introduced ，and the temper-ature sensing characteristics of encapsulated FBG were experimentally studied．Using metal materials of different
thermal expansion coefficients and same tube structure with inner diameter r =1.0mm ，
wall thickness d =0.5mm ，length L =100mm packaging FBG adherent to tube wall ，the sensing ability of FBG temperature sensors packaged by brass tube ，copper tube and stainless steel tube are 14.9pm /ħ，14.6pm /ħand 12．0pm /ħ，and they are
1.66，1.62，1.33times as large as that of a bare FBG ，meaning that package material with higher thermal expan-sion coefficient is corresponding to higher sensing ability．The experimental results show that ，for FBG along the ax-is ，the sensitivity is also related to the spacing between FBG and tube wall ，smaller spacing is corresponding to higher sensing ability．
Key words ：fiber Bragg grating ；temperature sensing ；package ；sensitivity ·047·黑龙江大学自然科学学报第28卷下载本文
