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1、镀金光纤光栅温度传感器的低温特性Vo.l28,No.2第28卷第2期低温物理学报2006年5月May2006CHINESEJOURNALOFLOWTEMPERATUREPHYSICS3镀金光纤光栅温度传感器的低温特性郭明金姜德生武汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室,武汉430070()介绍了用相位掩膜方法制作光纤布拉格光栅FBG以及镀金的FBG温度传感器.通过实验研究了-70?,0?之间的裸FBG和镀金FBG温度传感器的中心波长低温变化特性.实验结果表明裸FBG和镀金FBG温度传感器的中心波长在-70?,0?的区间随温度线性变化,重复性较
2、好并且几乎没有迟滞现象.裸光纤布拉格光栅和镀金FBG温度传感器的温度灵敏系数K分别为0.0101nm/?和0.0283nm/?.并且它们的线性拟合度都超过T0.999.关键词:导波与光纤光学,光纤布拉格光栅,相位掩膜,封装工艺,低温特性PACC:0720M,4280L,4281P布拉格光栅温度传感器-30?,-70?时谐振波长随温度变化的特性显得非常重要.本文将对裸FBG1引言和镀金FBG温度传感器低温时中心波长随温度变化()的特性进行理论和实验分析,为光纤布拉格光栅温度光纤布拉格光栅FBG是20世纪90年代以来国际上新兴的一种基础性光纤器件.由于光纤
3、布拉传感器在飞机低温飞行环境中的使用提供依据.格光栅具有抗电磁干扰、体积小、重量轻等诸多优[1,4]点,因此它非常适合于恶劣飞行环境中对飞机2光纤布拉格光栅制备与封装的温度、压力、燃料液位等多物理量参数的监测.近年来,很多专家学者对光纤光栅的温度传感特性进光纤布拉格光栅是基于光纤的光敏特性制成的,[5]行了研究.日本的Noritomo等人将光纤光栅布置利用紫外光就可以将一些特定的光波导结构写入光纤中,形成光纤型光波导器件.目前最有效的、应用于热电偶传感腔内,研究其没有应变下的温度传感[6]能力;新加坡的Murukeshan等人用光纤光栅研究最多的一种光
4、纤布拉格光栅制作方法是相位掩膜法.了复合材料固化过程的温度特性;中国的ZHANG相位掩膜写入法制备的光纤布拉格光栅周期为掩膜[7]Xiao2jing等人对光纤布拉格光栅温度灵敏性进行[8,9]光栅周期的一半,与入射光无关,因此对光源的相干了研究和BiWei2hong等人研究了分布式光纤布性要求不高,并且稳定、易于准直,重复性好,可以简拉格光栅实现应变和温度的同时测量.但是,这些研究大多集中于光纤布拉格光栅温度传感器常温时化光纤布拉格光栅的制作系统.谐振波长随温度变化的特性,虽然有研究者研究了由纯石英组成的光纤在低温环境中具有较低的光纤布拉格光栅温度传感
5、器的零度以下的温度特热膨胀系数同时又特别脆弱,直接将其作为传感器会性,但研究的最低温度也不低于-30?,-30?以下遇到许多的难题.因此用裸光纤布拉格光栅来测量光纤布拉格光栅温度传感器的温度特性几乎没有报低温非常困难,可以采用热膨胀系数大的材料来封装道.而飞机在日常训练和战斗飞行时,经常有达到光纤布拉格光栅以提高光纤布拉格光栅传感器的温-55?以下温度的过冷气流,这对光纤布拉格光栅度灵敏度.所以采用热膨胀系数大的金镀在光纤布温度传感器低温特性提出了需求.因此,研究光纤拉格光栅表面制作了一种小尺寸的光纤布拉格光栅温度传感器,它的封装形式如图1所示.采用化
6、学镀()3国家自然科学基金项目编号:50179029资助的课题.收稿日期:2005211228;修回日期:20062022151Λ与电镀相结合的方法在光纤布拉格光栅上镀金,镀金1dn1dξα令=,即为热光常数;即为热膨,=ndTΛdTμ层的厚度约为10m.镀金的过程分为光纤预处理,胀系数,从而可以得到再经过一定的热处理后,进行化学镀镍,最后镀金,以λd获得满足温度传感器要求的镀金层,其中光纤预处理ξα)()(=4+dTλ过程包含除油、敏化、活化等,目的是让光纤表面获得λ(ξα)令K=+,K为光纤布拉格光栅温度传感TT能够进行化学镀的活化表面.的灵敏度系
7、数,由此可得ΔλΔ()=KT5T()式5即为假定没有外力作用时裸光纤布拉格光栅中心波长与温度的关系.对于光纤为纯石英的-6αξ情况,通常有:?0.55×10/?,?6.67×-6图1镀金光纤布拉格光栅温度传感器示意图10/?,对于中心波长在1300nm的光纤布拉格光栅,其温度灵敏系数K约为0.0094nm/?.但是,由T镀金的光纤布拉格光栅温度传感器都需要进行于采用的光纤、光纤光栅写入工艺以及退火工艺的差老化处理,首先将温度传感器放置在一定温度的烘箱别,光纤布拉格光栅的温度敏感特性会有所不同.中恒温处理几十个小时.目的是使中心波长和树脂光纤布拉格光栅封
8、装后,封装材料会极大地改稳定,然后从烘箱中取出冷却到室温并存放一定的时间后,再将光纤布拉格光栅
