溫度是國際單位制給出的基本物理量之一，它是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中需要經(jīng)常測量和控制的主要參數(shù)，也是與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)的一個重要物理量。
目前，比較常用的電類溫度傳感器主要是熱電偶溫度傳感器和熱敏電阻溫度傳感器。熱電偶主要用來測量溫度差，為了得到正確的溫度值，必須用一種基準(zhǔn)溫度對接點(diǎn)進(jìn)行修正，輸出的信號比較小，因此在常溫附近如不注意測量方式，則其測量精度較低。熱敏電阻溫度傳感器的響應(yīng)速度快，電阻隨溫度的變化能力強(qiáng)，但長期穩(wěn)定性差。而且，傳統(tǒng)的電類溫度傳感器易受電磁輻射干擾，精度低、長期穩(wěn)定性差以及信號傳輸距離短，無法滿足在如強(qiáng)電磁輻射等惡劣工作環(huán)境中的工作需要。
光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比它有很多優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高，體積小，耐腐蝕，抗電磁輻射，光路可彎曲，便于實(shí)現(xiàn)遙測等。但在實(shí)際應(yīng)用中，基于強(qiáng)度調(diào)制的光纖溫度傳感器，由于易受光源功率變化及線路損耗等影響，其長期測量穩(wěn)定性差。基于光纖光柵技術(shù)的光纖溫度傳感器，采用波長編碼技術(shù)，消除了光源功率波動及系統(tǒng)損耗的影響，適用于長期監(jiān)測；而且多個光纖光柵組成的溫度傳感系統(tǒng)，采用一根光纜，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量。
光纖光柵的溫度傳感特性是由光纖光柵的熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)引起的，熱光效應(yīng)引起光纖光柵的有效折射率的變化，而熱膨脹效應(yīng)引起光柵的柵格周期變化。當(dāng)其所處的溫度場變化時，溫度與光纖光柵Bragg波長變化的關(guān)系為
式中，α為光纖的熱膨脹系數(shù)，主要引起柵格的周期的變化，通常，取α=5.5×10-7K-1；ξ為光纖的熱光系數(shù)，主要引起光纖的折射率的變化，一般取ξ=7.00×10-6K-1；ΔT為溫度變化量。如果光纖光柵的Bragg波長λB=1550 nm，由式(4.7)可計(jì)算出光纖光柵的溫度靈敏度為0.0117 nm/℃，一般取0. 01nm /℃。
溫度是直接影響光纖光柵波長變化的因素，人們常常直接將裸光纖光柵作為溫度傳感器直接應(yīng)用。同光纖光柵應(yīng)變傳感器一樣，光纖光柵溫度傳感器也需要進(jìn)行封裝，封裝技術(shù)的主要作用是保護(hù)和增敏，人們希望光纖光柵能夠具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和較長的壽命，與此同時，還希望能在光纖傳感中通過適當(dāng)?shù)姆庋b技術(shù)提高光纖光柵對溫度的響應(yīng)靈敏度。目前常用的封裝方式有基片式、金屬管式和聚合物封裝方式等。
基片式的光纖光柵溫度傳感器應(yīng)用較少，采用基片封裝的方案是將裸光纖光柵的兩端分別固定在基底材料的表面，當(dāng)溫度變化時通過基底材料的熱膨脹來增大光纖光柵的縱向應(yīng)變，從而增大光纖光柵的溫度靈敏度。在實(shí)用中通常選擇金屬鋁作為增敏材料。
詹亞歌等人于2005年提出來的鋁槽封裝結(jié)構(gòu)的光纖光柵溫度傳感器。光纖光柵的鋁槽封裝工藝如圖4.36所示，即將光纖光柵用環(huán)氧樹脂封裝在一個刻有一細(xì)槽的鋁條(其橫截面為長方形)內(nèi)，槽與鋁條中軸線平行，鋁質(zhì)為鑄造鋁合金。封裝時，盡量保證光纖光柵平直并位于槽的底面軸線上。注入環(huán)氧樹脂時，要適當(dāng)加熱，以增加其流動性，保證槽內(nèi)充滿密實(shí)，并減小形成氣泡的可能性，確保樹脂不溢出槽外，以便于加蓋保護(hù)鋁片。在鋁板上有四個螺孔，左邊的兩個螺孔用來把鋁條固定到被測物體上，而右邊的兩個螺孔兼有把鋁條固定到被測物體和把保護(hù)鋁蓋片固定到鋁條上的雙重作用，蓋片和鋁條的長度分別為5cm和4cm，鋁槽寬和深分別為115mm 和112mm。封裝后光纖光柵很容易被固定到被測物體上，并且鋁蓋片不影響被測物體把應(yīng)變和溫度傳遞到光柵，便于測量使用。
封裝后光纖光柵的溫度響應(yīng)特性，結(jié)果如圖4.37所示。圖中兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果直線擬合的斜率之比為3.59：1 ，即鋁槽封裝提高了光柵的溫度靈敏系數(shù)，其溫度靈敏性擴(kuò)大了約3.16 倍，其值為39.8
選用熱膨脹系數(shù)較大的聚酰纖維（polyamide fiber）聚合物材料，當(dāng)外界溫度改變時，聚合物膨脹而帶動光柵產(chǎn)生應(yīng)變，相應(yīng)的光纖布拉格光柵產(chǎn)生溫度和應(yīng)變的雙重調(diào)制，提高溫度測量響應(yīng)靈敏度根據(jù)計(jì)算溫度響應(yīng)靈敏度可達(dá)0.25nm/℃，是裸光纖光柵的25倍[35]。
關(guān)柏歐等人[36]分別采用兩種較大熱膨脹系數(shù)的聚合物材料(聚合物1#和聚合物2#)通過特殊工藝對光柵進(jìn)行了封裝處理。為了便于比較，同時測量了裸光纖光柵的溫度響應(yīng)特性，并將其溫度-反射波長移動曲線示于圖4.38中。裸光纖光柵的溫度靈敏度僅為0.01nm/℃，當(dāng)溫度從24℃升至88℃時，裸光纖光柵的中心反射波長僅移動了0.68nm，而聚合物1#包覆的光纖光柵的中心反射波長移動了14.5nm，聚合物2#包覆光柵的中心反射波長移動了3.9nm。兩種聚合物包覆的光纖光柵的溫度靈敏度分別為0.23nm/℃和0.06nm/℃，分別是裸光纖光柵的23倍和6倍。聚合物1#和聚合物2#包覆的光纖光柵的溫度響應(yīng)曲線的線性度分別為R1=0.9985和R2=0.9995，均具有很好的線性。
實(shí)驗(yàn)證明，利用具有較大熱膨脹系數(shù)的聚合物材料對光纖光柵進(jìn)行封裝處理，可以有效提高光纖光柵的溫度靈敏度。通過封裝，還可以對光纖光柵起到了很好的保護(hù)作用。
3.1 傳感器結(jié)構(gòu)
金屬管式光纖光柵溫度傳感器分為增敏型封裝與無增敏性封裝結(jié)構(gòu)兩種，其結(jié)構(gòu)形式分別如圖4.39和圖4.40所示。
光纖光柵增敏型溫度傳感器[37]的封裝機(jī)構(gòu)主要由金屬厚管、金屬薄管、毛細(xì)鋼管、膠粘劑、光纖光柵以及傳輸光纜組成?？紤]到傳熱效率，可以在厚管中充入水銀。金屬厚管的主要作用是保護(hù)光纖光柵，免受到外界應(yīng)力的沖擊，同時也保持光纖光柵與結(jié)構(gòu)處于相同的溫度場。毛細(xì)鋼管的主要作用是封裝裸光纖光柵，增敏光纖光柵溫度靈敏性。金屬薄管的作用主要是為了懸空毛細(xì)鋼管，使光纖光柵免受外界應(yīng)變影響。膠粘劑的主要作用是將金屬厚管、金屬薄管以及光纖固結(jié)在一起，使其成為一個整體。從結(jié)構(gòu)上看，該封裝形式不僅提高了光纖光柵的溫度靈敏度，能夠自由的感應(yīng)結(jié)構(gòu)對象的溫度變化，而且充分消除掉了外界應(yīng)力的影響。
光纖光柵無增敏型溫度傳感器的封裝機(jī)構(gòu)主要由金屬厚管、金屬薄管、膠粘劑、光纖光柵以及傳輸光纜組成?？紤]到傳熱效率，可以在厚管中充入水銀。金屬厚管的主要作用是保護(hù)光纖光柵，免受到外界應(yīng)力的沖擊，同時也保持光纖光柵與結(jié)構(gòu)處于相同的溫度場。金屬薄管的作用主要是為了懸空光纖光柵，使光纖光柵免受外界應(yīng)變影響。膠粘劑的主要作用是將金屬厚管、金屬薄管以及光纖固結(jié)在一起，使其成為一個整體。從結(jié)構(gòu)上看，該封裝形式不僅保持了裸光纖光柵的溫度靈敏度，能夠自由的感應(yīng)結(jié)構(gòu)對象的溫度變化，而且充分消除掉了外界應(yīng)力的影響。
光纖光柵溫度傳感器封裝主要考慮的問題是充分消除外界應(yīng)力對光纖光柵的影響，同時保證光纖光柵能夠處于被測對象的同一溫度場。對于增敏與無增敏兩種封裝結(jié)構(gòu)而言，金屬厚管必須具有高強(qiáng)度和良好的熱傳導(dǎo)能力，此外要具有良好的抗腐蝕能力，不銹鋼是比較理想的材料，如圖4.41所示。膠粘劑也必須滿足高強(qiáng)度和耐久性的需要。
3.2 傳感器性能實(shí)驗(yàn)
由以上論述知道，所設(shè)計(jì)的兩種光纖光柵封裝溫度傳感器的傳感特性分別由裸光纖光柵和管式光纖光柵應(yīng)變傳感器封裝結(jié)構(gòu)決定。其中無增敏型光纖光柵溫度傳感器的傳感特性與裸光纖光柵是一致的；而增敏型光纖光柵溫度傳感器的傳感特性與管式光纖光柵應(yīng)變傳感器是一致的。
使用水浴法對兩種光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行了標(biāo)定。非增敏型光纖光柵溫度傳感器的溫度傳感特性試驗(yàn)結(jié)果如圖4.42所示。
為了考察該溫度傳感器封裝技術(shù)的一致性，同時標(biāo)定了3個非增敏型光纖光柵溫度傳感器。由圖中可以看出，3個光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)分別為0.01024nm/℃、0.01052nm/℃和0.00996nm/℃，與裸光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)理論值0.0105 nm/℃符合的非常好。3個光纖光柵溫度傳感器靈敏度系數(shù)誤差非常小，說明該封裝技術(shù)具有良好的一致性。
增敏型光纖光柵溫度傳感器的傳感特性如圖4.43所示。
為了考察該溫度傳感器封裝技術(shù)的一致性，同時標(biāo)定了2個增敏型光纖光柵溫度傳感器。由圖4.43中可以看出，2個光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)分別為0.0285nm/℃和0.0281nm/℃，與裸光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)理論值0.0105nm/℃相比，增敏型光纖光柵溫度傳感器靈敏度系數(shù)提高了2.7倍。這兩個光纖光柵溫度傳感器靈敏度系數(shù)誤差非常小，說明該封裝技術(shù)具有良好的一致性。
