基于PTFE管封装的FBG的温度传感研究

Study on Temperature Sensing of FBG Encapsulated by PTFE Tube

摘要: 基于光纤布拉格光栅(FBG)对温度的敏感特性，且自身体积小、抗电磁干扰等优势，作为温度传感元件被应用于测量精度高或测量环境较苛刻的场合。但FBG较为脆弱且温度灵敏度低，因此对其进行保护以及增敏封装才得以实际应用。本文提出选用热膨胀系数较大且耐低温的聚四氟乙烯(PTFE)材料对裸FBG进行管式封装，封装后的温度灵敏度达23.64 pm/℃，是裸FBG的2.5倍。该研究为光纤光栅在低温领域的传感提供了依据。

Abstract: Based on the advantages of Fiber Bragg Grating (FBG), such as its sensitivity to temperature, small size and anti-electromagnetic interference, it is used in situations with high measurement accuracy or harsh measurement environment as a temperature sensing element. However, FBG is fragile and has low-temperature sensitivity, so it can be applied in practice after being protected and sensitized. Therefore, this paper proposes to use Polytetrafluoroethylene (PTFE) material with large thermal expansion coefficient and low-temperature resistance to package bare FBG in tube. After packaging, the temperature sensitivity reaches 23.64 pm/˚C. The sensitivity is 2.5 times that of bare FBG. This study provides a basis for fiber grating sensing in low-temperature field.

1. 引言

光纤传感器因体积小、抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀等优势，以及对外界环境变化较敏感的特点，近年来被广泛应用于多个领域[1]。而且其性能可通过改进得到大幅提升，使其在现代众多苛刻测量环境下的应用受到广泛关注。光纤主要成分为SiO₂，裸光纤直径约为125 μm，极易折断，尤其在低温恶劣环境下，温度灵敏度降低[2]，所以在研究裸光纤光栅的同时，也逐步采用不同的封装方式对其进行保护封装以及增敏封装[3]，拓展应用前景。

封装不但可以延长使用寿命，而且还保证了光纤光栅的稳定性[4]。目前常用的封装方法有基片式、管式和涂覆法等。2014年，Mamidi等人[5]提出了用氮化铝管封装光纤布拉格光栅用于温度传感，在20℃到500℃的温度范围内灵敏度达14.03 pm/℃，预测了光纤传感器在恶劣环境中的实际应用；2019年，张学强等人[6]以铜、铝、有机玻璃、聚四氟乙烯为材料对FBG进行片式封装，验证了热膨胀系数较大的材料能进一步提高光纤光栅的温度灵敏度；2021年，Daud等人[7]研究了光纤布拉格光栅和无芯光纤传感器在30℃到100℃温度范围内的性能，灵敏度分别为23.97 pm/℃、20.08 pm/℃；2022年，Esposito等人[8]提出了使用双层钢管对FBG进行封装，在5℃至50℃范围内温度灵敏度为28.9 pm/℃；同年，刘明尧等人[9]研究了低温环境下光纤光栅的温度传感特性，提出用黄铜管封装FBG，灵敏度达26 pm/K。本文基于以上研究，提出了利用聚四氟乙烯对光纤布拉格光栅进行管式封装，并与常见的涂覆封装以及管式封装方式进行对比，证明此材料以及封装方式的可行性。未来研究可以尝试新的材料和新的封装方法，有利于推动光纤传感器向微型化和应用化发展。

2. FBG的温度传感原理

在普通单模光纤的纤芯刻栅之后，其折射率会发生相应的改变，当入射光经过栅区时，特定波长的光波会发生相应的模式耦合，这就是光纤光栅的耦合模理论[10]。基于耦合模理论，FBG传感器严格遵守的布拉格方程的一阶表达式为：

${\lambda }_B=2n_{eff}\Lambda$ (1)

其中，${\lambda }_B$ 为光栅的中心波长，$n_{eff}$ 为纤芯的有效折射率，$\Lambda$ 为光纤光栅原本的周期。

由上式可以看出，中心波长${\lambda }_B$ 的值取决于纤芯有效折射率$n_{eff}$ 和光栅周期$\Lambda$ 。对上式(1)两边取微分得到中心波长偏移量的计算公式：

$\text{d}{\lambda }_B=2n_{eff}\text{d}\Lambda +2\Lambda \text{d}{n}_{eff}$ (2)

由公式(2)可知，影响波长偏移量的主要因素是有效折射率的改变量和光栅周期的改变量。当光纤光栅所处的环境其余因素都是常量，只有温度一个变量的情况下，光纤存在热膨胀效应和热光效应。热膨胀会使得光栅周期$\Lambda$ 发生改变，热光效应会改变有效折射率$n_{eff}$ 。方程两边对温度求导并化简得：

$\frac{\text{d}{\lambda }_B}{{\lambda }_B}=\left(\frac{1}{n_{eff}}\frac{\text{d}{n}_{eff}}{\text{d}T}+\frac{1}{\Lambda }\frac{\text{d}\Lambda }{\text{d}T}\right)\text{d}T$ (3)

其中，$\xi =\frac{1}{n_{eff}}\frac{\text{d}{n}_{eff}}{\text{d}T}$ 为光纤的热光系数，$\alpha =\frac{1}{\Lambda }\frac{\text{d}\Lambda }{\text{d}T}$ 为光纤的热膨胀系数。对于常用的掺锗石英光纤，理

论上$\alpha =0.55\times {10}^{-6}/˚\text{C}$ 、$\xi =6.67\times {10}^{-6}/˚\text{C}$ ，热光系数远大于热膨胀系数，中心波长偏移量计算公式可表示为：

$\Delta {\lambda }_B={\lambda }_B\xi \Delta T$ (4)

3. 实验方案

3.1. 温度传感器封装

由于基片式封装方式没有对栅区进行包裹保护，极易受外界环境的影响，不适用于恶劣环境温度监测；涂覆法是防止光纤断裂的有效方法，但涂层易脱落[11]；管式封装方式易操作且可有效抵挡外界环境造成的应力、应变；金属材料封装易生锈，不适合应用于液体环境中进行传感，因此本文采用了内外径分别为0.3 mm、0.6 mm的聚四氟乙烯管进行封装，管的内壁与光纤光栅之间使用环氧树脂AB胶进行填充。封装过程如下：首先将FBG栅区用无水酒精擦拭，目的是去除光纤表面的浮尘，之后用去离子水反复冲洗光纤表面并放入干燥机进行烘干备用。同时，准备环氧树脂AB胶，按2:1的比例混合后搅拌均匀并静置到无气泡的状态。接着将FBG从一侧穿入PTFE管并对光纤光栅施加一定的预应力并固定。之后用注胶器将静置完成的胶水填充到光纤与管之间的空隙，完成后将传感器放入烘干箱，目的是使环氧树脂胶固化。封装后的FBG传感器示意图如图1所示。

Figure 1. Schematic diagram of packaged FBG

图1. 封装后的FBG示意图

3.2. 温度传感实验

实验选用的数据监测仪器为光谱分析仪(型号AQ6370D)、低温恒温槽(型号DC-2010)和宽带光源ASE (范围为1525~1610 nm)，实验装置如图2所示。

具体操作如下：1) 将熔接完成的FBG施加一定的预应力并固定在无尘玻璃片上；2) 将固定好的FBG放入盛有一定量水的铝制容器中。

光纤传感器是处于水溶液环境中进行温度传感研究，因此实验开始之前要对传感单元所处的降温环境进行检测。测量结果如图3所示，可以明显地观察到随着降温时间的增加，无水乙醇和水溶液的温度均呈现线性下降的趋势，且下降速率大致相同，但在降温过程中，水溶液的温度要略高于无水乙醇的温度，这是由于室温偏高导致的误差，不会对实验结果造成影响。

那么水溶液本身在降温过程中是否会对光纤光栅造成影响是我们需要考虑的一个因素，水溶液在0℃至4℃的温度区间内存在反常膨胀[12]现象，即热缩冷胀。因此，需要在这段特殊温度区间内监测中心波长的变化，如图4所示，光纤传感器在无反常膨胀现象的无水乙醇中的波长偏移趋势与在水中的大致相同，不影响整体的偏移趋势，因此可忽略反常膨胀对实验的干扰。

Figure 2. Diagram of temperature sensing experimental device

图2. 温度传感实验装置图

Figure 3. Comparison diagram of temperature

图3. 温度对比图

以上准备工作均已完成后，现将有无封装的FBG依次置于水溶液中进行降温并记录中心波长的变化，对实验结果进行拟合，如图5所示。

Figure 4. Diagram of central wavelength shift

图4. 中心波长偏移图

Figure 5. Temperature sensitivity fitting curve of FBG with or without package

图5. 有无封装的FBG的温度灵敏度拟合曲线

由拟合结果可得：在从室温开始降温过程中，无封装光纤光栅的温度灵敏度为9.23 pm/℃，有PTFE管封装的光纤光栅的温度灵敏度为23.64 pm/℃。封装后的灵敏度提升了1.56倍，证明了此种封装材料以及封装方式的有效性。

3.3. 不同封装方式对比实验

为了验证用PTFE管封装的FBG对温度灵敏特性的提升效果，对FBG进行了涂覆和不同于PTFE材料的管式封装，分别为涂覆聚酰亚胺、丙烯酸酯、毛细铜管封装。图6是降温过程中FBG的温度灵敏度拟合曲线。

Figure 6. Temperature sensitivity fitting curve of FBG in different packaging methods

图6. 不同封装方式的FBG温度灵敏度拟合曲线

涂覆聚酰亚胺、丙烯酸酯、毛细铜管封装的FBG在中低温的温度灵敏度分别为9.51 pm/℃、11.36 pm/℃、13.61 pm/℃。结果表明，在此温度段的液体环境中，管式封装效果优于涂覆封装。涂覆增敏效果与涂覆层的厚度以及涂覆的均匀性等因素有关，而管式封装易操作且增敏效果显著。

4. 结论

本文提出选用热膨胀系数较大并且在低温环境下性能优良的PTFE材料对裸FBG进行保护及增敏封装，实验表明，封装后的温度灵敏度是原来的2.5倍，并且与其他封装方式相比，PTFE管封装的结果是最可观的。