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引用本文:

魏昊文,徐宁:高灵敏度布喇格光纤光栅温度传感器[J]. 光通信技术,2019,43(5):1-4.

高灵敏度布喇格光纤光栅温度传感器

魏昊文,徐 宁
(南京邮电大学 电子与光学工程学院,南京 210023)

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摘要:布喇格光纤光栅(FBG)传感器由于受到自身材料特性的限制,其传感灵敏度较低,如何提高FBG的灵敏度是研究的热点之一。首先理论仿真了具有高热膨胀系数的硅橡胶、环氧树脂和聚二甲基硅氧烷(PDMS)胶3种聚合物涂敷层的FBG,计算了反射谱中心波长偏移量随温度变化的光纤光栅传感温度灵敏度。根据理论分析结果,实验研究了3种聚合物材料涂覆层的FBG的温度传感性能。实验结果表明:具有PDMS材料涂覆层的FBG不仅保持了良好的线性特性,且温度灵敏度可以达到0.0795nm/℃,相对于光栅结构参数相同的裸栅温度灵敏度提升了8倍。
关键词:布喇格光纤光栅传感器;温度传感器;PDMS
中图分类号:S951;TN929.1 文献标识码:A 文章编号:1002-5561(2019)05-0001-04
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.05.001

0 引言
      自20世纪70年代光纤传感器出现以来,光纤布喇格光栅(FBG)传感器以其波长偏移跟温度、压力等测量参数之间良好的线性关系,成为众多类型传感器中的佼佼者[1]。
       FBG由于受其温度敏感性的制约,在高精度温度测量领域,其使用并不是很广泛。为了提升FBG在温度传感领域的应用,很多学者提出了多种增敏方式。使用不同材料作为FBG涂敷材料的增敏方式,由于其简单的实现方式和低廉的成本,成为许多学者的研究对象。当被涂覆层所包裹的FBG所在环境温度变化时,涂敷材料由于其自身的热膨胀性能够对FBG产生压迫,受压迫的FBG所产生的波长偏移量要明显大于裸栅,从而提升FBG的温度灵敏度。本文通过理论与实验对比3种聚合物封装的FBG,并对其性能进行分析。

4 结束语
       本文通过对硅橡胶、环氧树脂和PDMS胶3种高热膨胀系数的聚合物所涂敷的FBG进行25℃~90℃升降温实验研究,得出通过聚合物涂敷FBG确实能提升温度灵敏度的结论。但温度灵敏度提升不仅取决于涂敷聚合物本身的热膨胀系数,且与聚合物同FBG的切合度高低有一定的关系。通过对3组数据进行比较研究发现:3种聚合物中,涂敷硅橡胶的FBG灵敏度提升最低,且其涂敷后的FBG线性度也不如从前,硅橡胶作为FBG的涂敷材料并不是一项很好的选择;环氧树脂涂敷的FBG在保证了一定灵敏度提升的前提下,同时有优秀的线性度和可重复性,是一种优秀的FBG温度增敏材料;PDMS胶涂敷的FBG增敏效果最为明显,在实验条件下,能达到0.0795nm/℃的灵敏度,其效果相对于环氧树脂提升了约3倍,并且线性度和可重复性同样很好,对于高精度和小温度范围的测量情况,PDMS胶是3种材料中最好的选择。因此,涂敷PDMS胶或环氧树脂聚合物的FBG能够提升FBG在精确温度测量领域的应用范围。