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结构健康监测中光纤光栅传感技术(五)光纤光栅温度传感器

更新时间:2016-05-30 12:12:04点击次数:6537次字号:T|T

温度是国际单位制给出的基本物理量之一,它是工农业生产和科学实验中需要经常测量和控制的主要参数,也是与人们日常生活紧密相关的一个重要物理量。

目前,比较常用的电类温度传感器主要是热电偶温度传感器和热敏电阻温度传感器。热电偶主要用来测量温度差,为了得到正确的温度值,必须用一种基准温度对接点进行修正,输出的信号比较小,因此在常温附近如不注意测量方式,则其测量精度较低。热敏电阻温度传感器的响应速度快,电阻随温度的变化能力强,但长期稳定性差。而且,传统的电类温度传感器易受电磁辐射干扰,精度低、长期稳定性差以及信号传输距离短,无法满足在如强电磁辐射等恶劣工作环境中的工作需要。

光纤温度传感器与传统的传感器相比它有很多优点,如灵敏度高,体积小,耐腐蚀,抗电磁辐射,光路可弯曲,便于实现遥测等。但在实际应用中,基于强度调制的光纤温度传感器,由于易受光源功率变化及线路损耗等影响,其长期测量稳定性差。基于光纤光栅技术的光纤温度传感器,采用波长编码技术,消除了光源功率波动及系统损耗的影响,适用于长期监测;而且多个光纤光栅组成的温度传感系统,采用一根光缆,可实现准分布式测量。

光纤光栅的温度传感特性是由光纤光栅的热光效应和热膨胀效应引起的,热光效应引起光纤光栅的有效折射率的变化,而热膨胀效应引起光栅的栅格周期变化。当其所处的温度场变化时,温度与光纤光栅Bragg波长变化的关系为


式中,
α为光纤的热膨胀系数,主要引起栅格的周期的变化,通常,取α=5.5×10-7K-1ξ为光纤的热光系数,主要引起光纤的折射率的变化,一般取ξ=7.00×10-6K-1ΔT为温度变化量。如果光纤光栅的Bragg波长λB=1550 nm,由式(4.7)可计算出光纤光栅的温度灵敏度为0.0117 nm/℃,一般取0. 01nm /℃

温度是直接影响光纤光栅波长变化的因素,人们常常直接将裸光纤光栅作为温度传感器直接应用。同光纤光栅应变传感器一样,光纤光栅温度传感器也需要进行封装,封装技术的主要作用是保护和增敏,人们希望光纤光栅能够具有较强的机械强度和较长的寿命,与此同时,还希望能在光纤传感中通过适当的封装技术提高光纤光栅对温度的响应灵敏度。目前常用的封装方式有基片式、金属管式和聚合物封装方式等。

1. 基片式光纤光栅温度传感器

基片式的光纤光栅温度传感器应用较少,采用基片封装的方案是将裸光纤光栅的两端分别固定在基底材料的表面,当温度变化时通过基底材料的热膨胀来增大光纤光栅的纵向应变,从而增大光纤光栅的温度灵敏度。在实用中通常选择金属铝作为增敏材料。

詹亚歌等人2005年提出来的铝槽封装结构的光纤光栅温度传感器。光纤光栅的铝槽封装工艺如4.36所示,即将光纤光栅用环氧树脂封装在一个刻有一细槽的铝条(其横截面为长方形)内,槽与铝条中轴线平行,铝质为铸造铝合金。封装时,尽量保证光纤光栅平直并位于槽的底面轴线上。注入环氧树脂时,要适当加热,以增加其流动性,保证槽内充满密实,并减小形成气泡的可能性,确保树脂不溢出槽外,以便于加盖保护铝片。在铝板上有四个螺孔,左边的两个螺孔用来把铝条固定到被测物体上,而右边的两个螺孔兼有把铝条固定到被测物体和把保护铝盖片固定到铝条上的双重作用,盖片和铝条的长度分别为5cm4cm,铝槽宽和深分别为115mm 112mm。封装后光纤光栅很容易被固定到被测物体上,并且铝盖片不影响被测物体把应变和温度传递到光栅,便于测量使用。


封装后光纤光栅的温度响应特性,结果如4.37所示。图中两组实验结果直线拟合的斜率之比为3.591 ,即铝槽封装提高了光栅的温度灵敏系数,其温度灵敏性扩大了约3.16 倍,其值为39.8


2. 聚合物封装光纤光栅温度传感器

选用热膨胀系数较大的聚酰纤维(polyamide fiber)聚合物材料,当外界温度改变时,聚合物膨胀而带动光栅产生应变,相应的光纤布拉格光栅产生温度和应变的双重调制,提高温度测量响应灵敏度根据计算温度响应灵敏度可达0.25nm/℃,是裸光纤光栅的25[35]

关柏欧等人[36]分别采用两种较大热膨胀系数的聚合物材料(聚合物1#和聚合物2#)通过特殊工艺对光栅进行了封装处理。为了便于比较,同时测量了裸光纤光栅的温度响应特性,并将其温度-反射波长移动曲线示于4.38中。裸光纤光栅的温度灵敏度仅为0.01nm/℃,当温度从24℃升至88℃时,裸光纤光栅的中心反射波长仅移动了0.68nm,而聚合物1#包覆的光纤光栅的中心反射波长移动了14.5nm,聚合物2#包覆光栅的中心反射波长移动了3.9nm。两种聚合物包覆的光纤光栅的温度灵敏度分别为0.23nm/℃0.06nm/℃,分别是裸光纤光栅的23倍和6倍。聚合物1#和聚合物2#包覆的光纤光栅的温度响应曲线的线性度分别为R1=0.9985R2=0.9995,均具有很好的线性。

实验证明,利用具有较大热膨胀系数的聚合物材料对光纤光栅进行封装处理,可以有效提高光纤光栅的温度灵敏度。通过封装,还可以对光纤光栅起到了很好的保护作用。

3. 金属管式光纤光栅温度传感器

3.1 传感器结构

金属管式光纤光栅温度传感器分为增敏型封装与无增敏性封装结构两种,其结构形式分别如4.394.40所示。

光纤光栅增敏型温度传感器[37]的封装机构主要由金属厚管、金属薄管、毛细钢管、胶粘剂、光纤光栅以及传输光缆组成。考虑到传热效率,可以在厚管中充入水银。金属厚管的主要作用是保护光纤光栅,免受到外界应力的冲击,同时也保持光纤光栅与结构处于相同的温度场。毛细钢管的主要作用是封装裸光纤光栅,增敏光纤光栅温度灵敏性。金属薄管的作用主要是为了悬空毛细钢管,使光纤光栅免受外界应变影响。胶粘剂的主要作用是将金属厚管、金属薄管以及光纤固结在一起,使其成为一个整体。从结构上看,该封装形式不仅提高了光纤光栅的温度灵敏度,能够自由的感应结构对象的温度变化,而且充分消除掉了外界应力的影响。

光纤光栅无增敏型温度传感器的封装机构主要由金属厚管、金属薄管、胶粘剂、光纤光栅以及传输光缆组成。考虑到传热效率,可以在厚管中充入水银。金属厚管的主要作用是保护光纤光栅,免受到外界应力的冲击,同时也保持光纤光栅与结构处于相同的温度场。金属薄管的作用主要是为了悬空光纤光栅,使光纤光栅免受外界应变影响。胶粘剂的主要作用是将金属厚管、金属薄管以及光纤固结在一起,使其成为一个整体。从结构上看,该封装形式不仅保持了裸光纤光栅的温度灵敏度,能够自由的感应结构对象的温度变化,而且充分消除掉了外界应力的影响。


光纤光栅温度传感器封装主要考虑的问题是充分消除外界应力对光纤光栅的影响,同时保证光纤光栅能够处于被测对象的同一温度场。对于增敏与无增敏两种封装结构而言,金属厚管必须具有高强度和良好的热传导能力,此外要具有良好的抗腐蚀能力,不锈钢是比较理想的材料,如4.41所示。胶粘剂也必须满足高强度和耐久性的需要。


3.2 传感器性能实验

由以上论述知道,所设计的两种光纤光栅封装温度传感器的传感特性分别由裸光纤光栅和管式光纤光栅应变传感器封装结构决定。其中无增敏型光纤光栅温度传感器的传感特性与裸光纤光栅是一致的;而增敏型光纤光栅温度传感器的传感特性与管式光纤光栅应变传感器是一致的。

使用水浴法对两种光纤光栅温度传感器进行了标定。非增敏型光纤光栅温度传感器的温度传感特性试验结果如4.42所示。

为了考察该温度传感器封装技术的一致性,同时标定了3个非增敏型光纤光栅温度传感器。由图中可以看出,3个光纤光栅温度传感器的温度灵敏度系数分别为0.01024nm/℃0.01052nm/℃0.00996nm/℃,与裸光纤光栅温度灵敏度系数理论值0.0105 nm/℃符合的非常好。3个光纤光栅温度传感器灵敏度系数误差非常小,说明该封装技术具有良好的一致性。

增敏型光纤光栅温度传感器的传感特性如4.43所示。


为了考察该温度传感器封装技术的一致性,同时标定了2个增敏型光纤光栅温度传感器。由4.43中可以看出,2个光纤光栅温度传感器的温度灵敏度系数分别为0.0285nm/℃0.0281nm/℃,与裸光纤光栅温度灵敏度系数理论值0.0105nm/℃相比,增敏型光纤光栅温度传感器灵敏度系数提高了2.7倍。这两个光纤光栅温度传感器灵敏度系数误差非常小,说明该封装技术具有良好的一致性。