光纤光栅温度传感器的重复性实验研究

【摘要】为了研究相同封装条件下光纤光栅温度传感器的重复性，根据光纤光栅温度传感模型，从理论上研究了反射波长与温度的关系，通过对相同封装的6个器件进行多次升温降温循环实验，在试验的基础上得出了反射波长漂移量与温度的关系。对理论与试验结果对比分析，得到了满意的结果：布拉格反射光中心波长变化与温度变化有良好的线性关系，光纤光栅传感器有良好的重复性与一致性。

【关键词】光纤光栅；温度传感；重复性

1.引言

光纤光栅传感器的研究国外始于20世纪70年代，我国的研究起步于20世纪80年代初。光纤光栅传感器抗电磁干扰、耐高温、体积小灵活方便。以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器，传感信号为波长调制，复用性强，其好处在于抗干扰能力强，测量信号不受光纤弯曲损耗、连接损耗、光源起伏和探测器老化等因素的影响，易于与时分复用和波分复用技术相结合构成光纤光栅智能传感网络，实现分布式多点实时在线传感，广泛应用于温度，应力，应变等物理量的测量。温度传感是光纤光栅传感器最主要和最直接的应用之一，因此，研究温度与光纤光栅反射波长漂移量的关系对光纤光栅传感器具有重要意[1-3]。

良好的重复性，线性度和灵敏度是对传感器的基本要求，为了检验光纤光栅在被封装为传感器后波长温度特性的重复性，线性度和灵敏度，进行温度试验是必要的。

2.光纤光栅温度传感的理论分析

当光源发出的连续宽带光谱通过光纤射入FBG时，光场与FBG发生耦合作用的同时，对该宽带光选择性地反射回相对应FBG周期的一个窄带光谱，反射光沿原传输光纤返回，其它的则直接透射过去。返回的特定波长光，其反射布拉格波长可以表示为：

是FBG的温度灵敏度系数[4]。因为弹光效应和波导效应对FBG温度灵敏度系数的影响较热光系数和热膨胀系数小得多，所以可以完全忽略它们对的影响。这样式（5）就变为。当材料确定后，基本上为与材料系数相关的常数，所以FBG温度传感器具有很好的线性输出，即布拉格波长的变化与温度之间的变化有着良好的线性关系。

3.光纤光栅温度传感的实验研究

3.1 实验方法

掺铒光纤宽带光源作入射光波。从宽带光源发出的中心波长为1320nm（阈值为7.7dB）的红外光通过3dB耦合器入射的单模光纤，入射到加热箱内的FBG，反射的光通过耦合器，进入光谱分析仪（分辨率为0.05nm）测量反射波波长。

光纤光栅是用准分子激光器的紫外光在掺锗单模光纤上采用相位掩膜板技术紫外侧写入的。

在-20℃-140℃范围内，我们对光纤光栅反射波波长与温度的关系进行了测量，对光纤光栅器件的重复性进行了温度循环实验。温度升降程序控制器的精度0.1℃，进行了多次-20℃-140℃再回到起始温度的循环实验。先做升温过程实验，以-20℃作为温度的起点，控制温度升降程序控制器的温度，使控制器内的温度逐渐升高，每升高20℃让控制器保持恒定温度10min左右，记录一次波长，升温到120℃后停止升温；然后降温，同样每20℃降一次，在每个温度点让控制器保持恒定温度10min左右，直到温度降到-20℃。

3.2 实验结果分析

图一是反射的Bragg中心波长与温度的关系曲线，从图中可以看出布拉格波长与温度之间有着良好的对应关系。这与理论分析的结论是一致的。

图二是对同一封装6个器件进行4次循环升温和降温测试重复性的的实验的一组结果，两种不同的颜色分别代表了升温和降温的过程曲线。表一列出了详细的升温与降温过程中温度灵敏度系数。

图二 器件重复性实验结果

对器件进行4次循环的升温降温后的K值表如表一。

4.结论

重复性是衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续工作多次变动时，所得特性曲线间一致程度的指标。各条特性曲线越靠近，重复性越好。

从两组实验结果可以看出，当温度改变时，波长也有相应的漂移量，这与理论分析的结论一致；通过对相同封装的6个器件做重复性的实验，发现器件在升温与降温的过程曲线能够很好的重合，说明一致性和重复性都比较好。

器件升温K值的差值在0.8pm以内，一致性正常，另外4次循环的重复性非常好，4次循环的K值几乎保持不变，但是循环过程中同一器件升温和降温的k值相差约0.5pm左右，初步怀疑与高低温箱的升温和降温时间有关。在后续的研究中还有待进一步的实验验证。

参考文献

[1]Qiao Xue-guang，Li Yu-lin.Hybrid FBG/LPEG sensors for simultaneous measuring strain and temperature of oil/gas bottomline[J].Jounal of Optoelectronics.Laser，1999，10（1）：42-45.

[2]L Aferreira，J L Santos，F Farahi.Simultaneous measurement of strain and temperature using interferometrically interrogated fiber Bragg gratings sensors[J].Optic Engineering，2000，39（8）：2226-2233.

[3]BAI-Ou Guan，HWA-YAW Tam，SIU-LIU Ho.Simultaneous strain and temperature measurement using a single fiber Bragg grating[J].Electron.Left.，2000（3）：1008-1010.

[4]孟展.光纤光栅传感器测量技术的研究[D].开封：河南大学硕士论文，2011.

作者简介：王芬（1983—），女，湖北武汉人，硕士，现供职于宜昌测试技术研究所，主要从事传感器的研究与应用开发。