引用本文:

徐学武,王红,潘家栋,等:一种新型的基片式高灵敏度FBG温度传感器[J]. 光通信技术,2019,43(7):1-4.

一种新型的基片式高灵敏度FBG温度传感器

徐学武,王 红*,潘家栋,陶 辉

(桂林电子科技大学 机电工程学院,广西 桂林 541004)

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摘要:光纤布喇格光栅(FBG)是一种新型的光学无源器件,广泛用于传感测量领域。由于裸FBG灵敏度很低,需对其进行增敏封装处理。对此进行深入研究,提出了一种新型的高灵敏度FBG温度传感器。该传感器采用铝-超殷钢基片进行封装,即将热膨胀系数不同的铝和超殷钢作为基底材料,并设计成过渡配合结构。当铝片受热形变时,两者之间形成挤压力,该挤压力带动铝向纵向两端延伸,FBG所受应变增大,灵敏度得到提高。通过水浴加热实验对其进行验证,结果表明:该传感器的灵敏度系数得到较大提高,达到34.3 pm/℃,是裸FBG的2.9倍,比常规铝片封装的FBG温度传感器提高了9.7 pm/℃。

关键词:光纤布喇格光栅;温度传感器;增敏封装;灵敏度

中图分类号:TN212 文献标志码:文章编号:1002-5561(2019)07-0001-04

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.07.001

0 引言
   光纤布喇格光栅(FBG)因具有电气绝缘、耐腐蚀和耐高温等独特优点,被广泛用于石油化工、桥梁隧道和航空航天等领域的测量[1-3]。在实际应用中,裸FBG的温度灵敏度系数只有11 pm/℃左右,因此需对其进行增敏封装,以增大传感器的灵敏度系数[4,5]。
   目前,FBG传感器的增敏封装方式主要分为管式封装、基片式封装、聚合物封装和粘贴式封装[6],其中研究基片式封装FBG传感器的人很多。于秀娟等人[7]提出了一种铜片封装工艺,与裸FBG相比,该种封装工艺的传感器温度灵敏度系数提高了2.7倍,但其线性度较差。2016年,刘士华等人[8]设计了一种铝基片式FBG温度传感器,并研究了粘贴效果对传感器温敏特性的影响。理想情况下,该传感器灵敏度为36.6 pm/℃,线性度为0.997,但由于胶粘工艺极其严格,使其很难量产。
   上述关于FBG温度传感器的灵敏度研究大都是直接利用某一种热膨胀系数大的材料作为基底材料,通过材料的热胀冷缩效应提高灵敏度系数。本文在前人研究的基础上,提出一种新型的高灵敏度FBG温度传感器。

5 结束语
   本文详细分析了常规基片式封装的FBG温度传感器,并提出了一种新型的高灵敏度FBG温度传感器。首先,通过分析FBG传感器的温度传感原理,介绍了铝基片封装结构的常规FBG温度传感器,采用有限元对该结构模型进行热分析,并研究了FBG传感器的温敏特性。然后,设计了一种新型的高灵敏FBG温度传感器,该传感器采用铝-超殷钢基片进行封装,即采用超殷钢和铝作为基底材料,并将其设计成过渡配合的结构。最后,通过有限元热仿真和实验对新型的高灵敏FBG温度传感器进行验证。结果表明:本文的设计进一步提高了FBG传感器的温度灵敏度系数,且保证了传感器的线性度和重复性。