论文部分内容阅读
[摘 要]光纤光栅（FBG）温度传感器与传统的电子式温度传感器相比，具有非常高的灵敏度、体积小、抗电磁干扰能力强、信号传输的距离远等优点，故光纤温度传感器在各行各业中会越来越多的得到青睐。光纤光栅（FBG）温度传感器在工程土木结构中应用时，经常会遇到两种工程问题：一种是传感器本身的强度问题，另一种是其温度响应时间的问题。如果高强度封装肯定会导致壳体厚度增大，从而影响传感器的温度响应速度；如果为缩短温度响应时间，就要减小封装外壳的厚度，但这又致使传感器的保护强度降低。因此，本文将着重对此款传感器的设计技术进行分析探讨，从而为以后的实际工程应用和施工维护工作上提供一定的借鉴。
[关键词]FBG；光纤光栅温度传感器；快速响应；
中图分类号：P635 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）46-0070-01
1.快速响应温度传感器的工作原理及其工程应用
笔者设计的这款快速响应温度传感器，其技术要点就是解决光纤光栅（FBG）温度传感器工程应用时的保护强度和温度快速响应问题。
1.1 光纤光栅（FBG）温度传感器的制作原理
FBG（Fiber Bragg Grating）的基本原理，就是利用掺杂光纤的光波致折射率变化特性，用紫外光刻蚀等特殊工艺使得光纤纤芯的折射率发生永久性周期变化而形成的一种反射型光纤无源器件，若入射光波的波长与之匹配，则对该光波反射，其余部分的光波从光栅中透射过去。这种现象最早由William.Bragg发现，故这种光栅以他的名字命名，反射条件称为Bragg条件。
当一束宽带光波通过光纤光栅时，对满足Bragg条件的入射光波会有强烈的反射，并沿原传输路径光纤返回，而其余波长的光波可以无损耗的通过。透射过去的其余波长的光波可以继续传输给其它具有不同中心波长的光纤光栅阵列，由此可实现多个光纤光栅传感器的波分复用，实现准分布式测量的应用。即一根光纤上可连接多个不同波长的传感器组成分布式定位测量系统，易于组成大范围的安全监测网络。这种结构只会反射特定波长的光谱，所反射的光中心波长为：
λB=2neffΛ
式中，λB是被反射的波长， neff是光纤光栅的有效折射率，Λ是光栅周期。
当作用于光纤光栅的被测物理量（比如：温度）发生改变时，会引起上式中neff和Λ的改变，从而导致光纤光栅反射波长λB的变化。同理逆向检测λB的改变，也可以得到被测物理量的变化。而且光纤光栅的中心波长的变化量和被测物的温度的变化量成线性关系。根据这个特性，可将光纤光栅制作成温度传感器。
1.2 光纤光栅（FBG）温度传感器的发展前景
光纤光栅（FBG）温度传感器与传统的电子式温度传感器相比，具有不可替代的优点：抗电磁干扰，与电绝缘、安全；灵敏度高；体积小；结构简单，使用方便；便于复用。正是由于这些优点，所以基于FBG技术的光纤光栅温度传感器是具有非常大的应用前景，并且在土木工程、桥梁、海洋石油平台、及航空等工程应用中都可以进行实时安全的温度监测。
2.快速响应温度传感器的制作及技术讨论
为了解决光纤温度传感器本身的强度和响应时间，笔者从以下3点方面浅谈：（1）利用仿真和评估计算，验证基于FBG技术的快速响应温度传感器可行性；（2）快速响应温度传感器的制作，具体详细介绍其相关装配组件的特点；（3）试验验证。通过相关系列试验，得出理论数据，作为后续实际应用提供依据。
2.1 仿真计算和试验评估可行性
基于一个项目的需求，光纤温度传感器应用于实际的工程现场要有较強的保护；且同时还要能满足对环境温度响应时间不超过200ms。
为了实现快速响应时间的这个重要参数，初步方案确定该款温度传感器的核心部件采用外径￠0.6不锈钢毛细空管作为测温探头封装。
2.1.1 仿真计算
通过有限元软件仿真分析可知：在长度仅为15mm的区域中，温度梯度几乎没有变化，即响应时间是一致的，且热传导极快。
2.1.2 评估可行性
温度响应时间就是温度传感器需要测试出温度变化的时间，即在温度出现阶跃变化时温度传感器所测温度变化至相当于该阶跃变化的某个规定百分数所需的时间，通常以τ表示。基于RTD铂电阻传感器标准，满足IST创新传感技术要求ATP_E2.1.5判定依据，实际测试是取温度传感器测量温度变化的63%秒的时间。
测试1支镀金光栅和1支裸光栅进行实验。通过计算，得出以下表格内容：
由实验数据分析，由于是人手拿传感器放进恒温水槽中，存在传感器入水时间和入水深度等因素不一致。再加上无封装结构，水槽里的水流动因素影响，使得光纤敏感元件感应的温度波动存在一定的差异。
综上所述，针对裸光栅的温度响应时间测试，排除设备的采集频率和设备系统的误差，基本可以推算出，对外加封装结构是会影响到响应时间的长短，但合理的封装结构，以及接入匹配的光纤传感解调设备均能缩短温度的响应时间，并且不会超过200ms。
2.2 快速响应温度传感器制作特点
通过仿真计算分析，以及评估试验验证，笔者最终采用外径￠0.6mm，内径￠0.4mm的不锈钢毛细空管来作为内部封装外壳。为了增加该传感器封装外壳保护强度，在此不锈钢毛细空管的外部又安装一个保护壳腔体部件，同时又为了不影响该传感器的温度响应时间，在该保护壳腔体中间部位上采用镂空设计，比如在壳体中间部设计成长方孔等模式，这样就便于导热，缩短了温度响应时间，提高了响应速度。其余具体详细的传感器制作过程与传统的光纤光栅（FBG）温度传感器的制程一样，故此处不再详述。
2.3 快速响应温度传感器成品试验验证
将一批快速响应光纤温度传感器的成品捆绑于测试支架上，然后分别连接到光纤传感解调仪设备上，并与光纤通道一一匹配连接。接着分别进行30℃、50℃、80℃三个温度测试点阶段的温度响应时间进行温升数据实时采集，存储。经过计算分析，通过一组6支快速响应温度传感器的温度响应时间试验数据可知，笔者设计的这款基于FBG技术的快速响应温度传感器的温度响应时间值不大于200ms，满足项目当初的设计要求。
由于该款光纤快速响应温度传感器外保护壳的封装管部分区域厚度增厚，保证了对内部光纤光栅感温核心部件有较强的保护，且外保护壳的封装结构简单、紧凑，尤其是端部的螺栓紧固设计手段，更是便于工程应用现场的安装和增强了工程设施固定的牢固性。
结语：
本文阐述了笔者基于FBG技术，在光纤光栅温度传感器的已有工艺技术基础上，优化设计了这款光纤快速响应的温度传感器，一方面，笔者解决了此款光纤温度传感器在实际工程应用中的长期有效的保护强度，另一方面，笔者解决了该款光纤温度传感器温度响应时间，也大大提高了该款光纤温度传感器对所测试的环境温度的快速响应速度。
综上所述，对温度进行快速的、实时、动态的监测，同时还对温度传感器进行长期有效的保护，保证光纤温度传感器能持续的应用，是具有十分重要的意义。
参考文献：
[1]赵勇. 光纤光栅及其传感技术[M]. 北京：国防工业出版社，2007：63～68.
[2]朱月红. 光纤光栅、金属化及传感技术[M]. 北京：国防工业出版社，2016：157～165.
[3]陈明阳. 光纤Bragg光栅（FBG）设计[D]. 江苏大学机械工程学院，2012.
[4]张旭萍. 全分布式光纤传感技术[M]. 北京：科学出版社，2013：178～206.
[关键词]FBG；光纤光栅温度传感器；快速响应；
中图分类号：P635 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）46-0070-01
1.快速响应温度传感器的工作原理及其工程应用
笔者设计的这款快速响应温度传感器，其技术要点就是解决光纤光栅（FBG）温度传感器工程应用时的保护强度和温度快速响应问题。
1.1 光纤光栅（FBG）温度传感器的制作原理
FBG（Fiber Bragg Grating）的基本原理，就是利用掺杂光纤的光波致折射率变化特性，用紫外光刻蚀等特殊工艺使得光纤纤芯的折射率发生永久性周期变化而形成的一种反射型光纤无源器件，若入射光波的波长与之匹配，则对该光波反射，其余部分的光波从光栅中透射过去。这种现象最早由William.Bragg发现，故这种光栅以他的名字命名，反射条件称为Bragg条件。
当一束宽带光波通过光纤光栅时，对满足Bragg条件的入射光波会有强烈的反射，并沿原传输路径光纤返回，而其余波长的光波可以无损耗的通过。透射过去的其余波长的光波可以继续传输给其它具有不同中心波长的光纤光栅阵列，由此可实现多个光纤光栅传感器的波分复用，实现准分布式测量的应用。即一根光纤上可连接多个不同波长的传感器组成分布式定位测量系统，易于组成大范围的安全监测网络。这种结构只会反射特定波长的光谱，所反射的光中心波长为：
λB=2neffΛ
式中，λB是被反射的波长， neff是光纤光栅的有效折射率，Λ是光栅周期。
当作用于光纤光栅的被测物理量（比如：温度）发生改变时，会引起上式中neff和Λ的改变，从而导致光纤光栅反射波长λB的变化。同理逆向检测λB的改变，也可以得到被测物理量的变化。而且光纤光栅的中心波长的变化量和被测物的温度的变化量成线性关系。根据这个特性，可将光纤光栅制作成温度传感器。
1.2 光纤光栅（FBG）温度传感器的发展前景
光纤光栅（FBG）温度传感器与传统的电子式温度传感器相比，具有不可替代的优点：抗电磁干扰，与电绝缘、安全；灵敏度高；体积小；结构简单，使用方便；便于复用。正是由于这些优点，所以基于FBG技术的光纤光栅温度传感器是具有非常大的应用前景，并且在土木工程、桥梁、海洋石油平台、及航空等工程应用中都可以进行实时安全的温度监测。
2.快速响应温度传感器的制作及技术讨论
为了解决光纤温度传感器本身的强度和响应时间，笔者从以下3点方面浅谈：（1）利用仿真和评估计算，验证基于FBG技术的快速响应温度传感器可行性；（2）快速响应温度传感器的制作，具体详细介绍其相关装配组件的特点；（3）试验验证。通过相关系列试验，得出理论数据，作为后续实际应用提供依据。
2.1 仿真计算和试验评估可行性
基于一个项目的需求，光纤温度传感器应用于实际的工程现场要有较強的保护；且同时还要能满足对环境温度响应时间不超过200ms。
为了实现快速响应时间的这个重要参数，初步方案确定该款温度传感器的核心部件采用外径￠0.6不锈钢毛细空管作为测温探头封装。
2.1.1 仿真计算
通过有限元软件仿真分析可知：在长度仅为15mm的区域中，温度梯度几乎没有变化，即响应时间是一致的，且热传导极快。
2.1.2 评估可行性
温度响应时间就是温度传感器需要测试出温度变化的时间，即在温度出现阶跃变化时温度传感器所测温度变化至相当于该阶跃变化的某个规定百分数所需的时间，通常以τ表示。基于RTD铂电阻传感器标准，满足IST创新传感技术要求ATP_E2.1.5判定依据，实际测试是取温度传感器测量温度变化的63%秒的时间。
测试1支镀金光栅和1支裸光栅进行实验。通过计算，得出以下表格内容：
由实验数据分析，由于是人手拿传感器放进恒温水槽中，存在传感器入水时间和入水深度等因素不一致。再加上无封装结构，水槽里的水流动因素影响，使得光纤敏感元件感应的温度波动存在一定的差异。
综上所述，针对裸光栅的温度响应时间测试，排除设备的采集频率和设备系统的误差，基本可以推算出，对外加封装结构是会影响到响应时间的长短，但合理的封装结构，以及接入匹配的光纤传感解调设备均能缩短温度的响应时间，并且不会超过200ms。
2.2 快速响应温度传感器制作特点
通过仿真计算分析，以及评估试验验证，笔者最终采用外径￠0.6mm，内径￠0.4mm的不锈钢毛细空管来作为内部封装外壳。为了增加该传感器封装外壳保护强度，在此不锈钢毛细空管的外部又安装一个保护壳腔体部件，同时又为了不影响该传感器的温度响应时间，在该保护壳腔体中间部位上采用镂空设计，比如在壳体中间部设计成长方孔等模式，这样就便于导热，缩短了温度响应时间，提高了响应速度。其余具体详细的传感器制作过程与传统的光纤光栅（FBG）温度传感器的制程一样，故此处不再详述。
2.3 快速响应温度传感器成品试验验证
将一批快速响应光纤温度传感器的成品捆绑于测试支架上，然后分别连接到光纤传感解调仪设备上，并与光纤通道一一匹配连接。接着分别进行30℃、50℃、80℃三个温度测试点阶段的温度响应时间进行温升数据实时采集，存储。经过计算分析，通过一组6支快速响应温度传感器的温度响应时间试验数据可知，笔者设计的这款基于FBG技术的快速响应温度传感器的温度响应时间值不大于200ms，满足项目当初的设计要求。
由于该款光纤快速响应温度传感器外保护壳的封装管部分区域厚度增厚，保证了对内部光纤光栅感温核心部件有较强的保护，且外保护壳的封装结构简单、紧凑，尤其是端部的螺栓紧固设计手段，更是便于工程应用现场的安装和增强了工程设施固定的牢固性。
结语：
本文阐述了笔者基于FBG技术，在光纤光栅温度传感器的已有工艺技术基础上，优化设计了这款光纤快速响应的温度传感器，一方面，笔者解决了此款光纤温度传感器在实际工程应用中的长期有效的保护强度，另一方面，笔者解决了该款光纤温度传感器温度响应时间，也大大提高了该款光纤温度传感器对所测试的环境温度的快速响应速度。
综上所述，对温度进行快速的、实时、动态的监测，同时还对温度传感器进行长期有效的保护，保证光纤温度传感器能持续的应用，是具有十分重要的意义。
参考文献：
[1]赵勇. 光纤光栅及其传感技术[M]. 北京：国防工业出版社，2007：63～68.
[2]朱月红. 光纤光栅、金属化及传感技术[M]. 北京：国防工业出版社，2016：157～165.
[3]陈明阳. 光纤Bragg光栅（FBG）设计[D]. 江苏大学机械工程学院，2012.
[4]张旭萍. 全分布式光纤传感技术[M]. 北京：科学出版社，2013：178～206.