具有温度自补偿功能的光纤光栅传感器 结构研制 侯兴 勃 ，李涛 ，齐红丽 ，江舒 ，戚培芸 （１．９２４９３部队，辽宁葫芦岛１２５０００；２．中船重工第七。四研究所，上海２０００３１） Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｆｉｂｅｒ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ Ｓｅｌｆ－Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ＨＯＵ Ｘｉｎｇ．ｂｏ ，ＬＩ Ｔａｏ ，ＱＩ Ｈｏｎｇ．．１ｉ，ＪＩ．ＡＮＧ Ｓｈｕ ，ＱＩ Ｐｅｉ．ｙｕｎ （１．Ｕｎｉｔ ９２４９３，Ｈｕｌｕｄａｏ １２５０００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｎｏ．７０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＳＩＣ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｐａｓｓｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｐａｃｋａｇｅ ｏｆ ｌｏｎｇ ｐｅｒｉｏｄｆｉｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇ（ＬＰＦＧ）ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｔｓ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｓｔｒａｉｎ ｃｏｅｉｃｉｆｅｎｔ．ＬＰＦＧ ｉｓ ｐａｓｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｕｃｈ ａｓ ｃｏｐｐｅｒ ａｎｄ ｐｌｅｘｉｇｌａｓ ｕｎｄｅｒ ｔｅｎｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｏｆ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｕｎｔｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ Ｏｉｌ ｃｏｐｐｅｒ ｅｘｈｉｂｉｔ ｌｏｗｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ（ａｂｏｕｔ ７８ｐｍｌ℃）．ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｕｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ（ａｂｏｕｔ １１８ｐｍ，℃）．Ｏｎ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ，ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｕｎｔｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ ｏｎ Ｐｌｅｘｉｇｌａｓ ｃｈａｎｇｅｓ．Ｉｔ ｉｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐａｃｋａｇｅ ｃｏｕｌｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＬＰＦＧ ｗｈｅｎ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｃｈｏｓｅｎ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，＂ｌｏｎｇ ｐｅｒｉｏｄｆｉｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇ，＂ｎｅｇａｔｉｖｅ ｓｔｒａｉｎ ｃｏｅｉｃｉｆｅｎｔ ０引言 长周期光纤光栅近些年来发展迅速，其作为一种 光纤无源器件具有很多优点，例如制作工艺简单、插入 损耗小、本底辐射低、尺寸小以及易与智能材料相结合 等 长周期光纤光栅可用作波分复用隔离滤波器【２Ｊ， 色散补偿器，增益平坦滤波器和带阻滤波器。不仅在 光通讯领域上，用于增益均衡器、带通滤波器［ 、偏振 镜等，同时也可广泛应用于传感单 作者简介：侯兴勃（１９６７．），男，高级工程师，硕士研究生。研究方向：力学计量。 ２０１５ｌ 蚤 １４ ｅｍｉｃ Ｒｅｓｅａ ｒｃｈ 术交流 于基于边缘滤波技术的光纤光栅波长解调技术。该技 术也可运用于船舶关键参数的工程测量。 由于光纤固有的热光和热膨胀特性，写入标准光 纤的光栅耦合波长将会随着温度的改变而发生漂移， 并导致其波长的不稳定。为了解决这个问题，研究人 员提出了一些方法，如黄平等人【５】在长周期光栅表面涂 覆随温度升高而折射率变大的薄膜层，实现了在 ２５℃～７５℃内，波长峰值最大变化小于０．６ｎｍ。文献［６—７］ 分别通过金属套管和有机玻璃对长周期光纤光栅进行 了封装进而抑制了温度漂移。文献［８］根据长周期光纤 光栅透射中心波长随温度正向漂移和随应变负向漂移 的特点，采用有机玻璃封装有效的补偿了温度漂移。 本文选择使用负应变系数进行温度补偿的方法， 这种方法不需要主动的温度控制且简单可靠。封装的 物理结构，在温度发生变化时，会使得长周期光纤光 栅受到应变从而抵消气受温度影响产生的波长漂移 量，试验结果证明这种方法可行，并且不同的封装材 料补偿效果有差异。 ｌ 长周期光纤光栅温度补偿原理 光从宽带光源入射进单模光纤，并通过长周期光 纤光栅与各阶包层模在不同波长处耦合。由于包层模 在沿着光纤方向上迅速衰减，在长周期光纤光栅的透 射谱中可观察到与各个波长对应的损耗峰。这些谐振 波长是由相位匹配条件决定的 ］： ： 。一 引Ａ （１） 式中， 是ｍ次谐振波长；ｎ 与 。，分别代表了 光纤导模和 包层模的有效折射率；Ａ是光栅周期。 随着周围环境ｆ比如温度、应变）发生变化，纤芯与包层 的折射率以及光栅周期都会发生改变。因此，谐振波 长会随温度和受到应变的变化而发生漂移。 当外界温度改变时，长周期光纤光栅的谐振波长 漂移为： △ ＝［（ Ｄ，２ｃ０一 ，，２ｃ，）＋（ｎｃＤ—ｎｃｆ）ＯｔＡ］ＡＴＡ＋ ÷（１ ｐ１１＋２Ｐ１２）ＣｔＡＡＴ（ｎｃｚｌ— ）Ａｍ （２） 式中，Ｐ１１、Ｐｌ２是弹光张量的分量； 。、 ｆ分别表 示长周期光纤光栅芯区和包层材料的热光系数；ｄＡ表 作用下，长周期光纤光栅的 谐振波长漂移为： △ ｍ＝［（ｎｃ０一ｎｃ，）＋（Ｐｃｌｎｃｌ—Ｐｃ０Ｉ１＂ｃ。）］Ａｃ （３） 式中，Ｐｄ、Ｐ 分别表示包层和纤芯的有效弹光系数。 由温度 与应变ｓ的扰动均能引起的谐振波长的 漂移，根据式（２）、（３），进一步可以将波长漂移量 表示为…： Ａ２ｍ＝［ ＋ 】△ ＋［１＋ｐｌＡＣ （４） 式中，ｎ由热膨胀系数决定，通常为５×１０－７／￣Ｃ； 由热光系数决定，不是一个常量，与光栅周期和耦 合的包层模顺序有关，约为２．０×１０－５～４．０×１０～／￣Ｃ。 因此，长周期光纤光栅的温度灵敏度系数主要由热光 系数决定的。Ｐ由弹光系数决定，是与光纤类型、光栅 周期和耦合的包层模顺序有关。对于普通的康宁标准 光纤而言，应变系数（１ ）是负的，在一０．５～一０．７。 从式（４）可知，长周期光纤光栅的谐振波长会随着 温度的升高或应变的减小而增大，也会随着温度的降 低或应变的增加而减小。因此，如果拉紧状态下的长 周期光纤光栅安装在了某些材料上，它们就能感受到 这些材料因为温度变化而引起的膨胀或收缩所带来的 应变变化。也就是说，由温度引起的谐振波长的漂移 将会被变化的应变量补偿掉。这就是本文设计的长周 期光纤光栅温度补偿方法的工作原理。 ２温度补偿试验与分析 本文所设计的温度补偿封装结构示意图如图１所 示，长周期光纤光栅粘贴在温度变化可引起应变变化 的基底材料上。为了避免粘结剂影响光纤光栅的特性， 只将光纤光栅的两端粘在基底材料上。分别选择铜和 树脂玻璃作为基底材料。试验装置的原理图如图２所 示，使用数字温控箱来控制长周期光纤光栅周围的温 度，选用Ｍｉｃｒｏｎ Ｏｐｔｉｃｓ公司的Ｓｍ１２５光纤光栅解调仪 对长周期光栅的波长进行检测，其光谱范围为１５１０ｎｍ 到１５９０ｎｍ，试验所用的长周期光纤光栅的透射谱如图 ３所示，其ＦＷＨＭ波长为２１．４９ｎｍ，透射率为９８．５１５％， 显然该光栅具有良好的边缘线性，适合于光纤布拉格 光栅波长解调系统设计。 试验结果如图４、５所示。由图４可得，在３５℃～ ６５。Ｃ下，光纤光栅谐振波长在使用铜制衬底温度补偿 前后的变化情况。试验结果可知：在使用铜制衬底之 后，其温度系数从１１８ｐｍ／￣Ｃ下降到了７８ｐｍ／￣Ｃ。 基底材料长周期光纤光栅 ＬＰＦＧ 温控箱 基底材料 图１温度补偿封装的示意图 图２试验装置示意图 ∞ 榭 衄日】 ］隧 １５３０ ０ １５３５．０ １５４０ ０ １５ｑ５．０ １５５０ ０ １５５５．０ ｔＳ６０．Ｏ １５６５．０ １５７０．０ 波长／ｉｒｍ 温度／￣Ｃ 图３长周期光纤光栅透射谱图 图４在使用铜制衬底进行温度补偿前后的 谐振波长漂移 图５以树脂玻璃为衬底进行补偿时光纤光栅波形的变化 ３结语 长周期光纤光栅通过衬底材料应变引起的谐振波长 Ｌｏｎｇ—ｐｅｉｒｏｄ ｉｆｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇｓ ａｓ ｂａｎｄ－ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｆｉｌｔｅｒｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１４（１９９６）：５８—６５． 【４】ＳａｎｇＭＬ，ＧｕＸ Ｊ．ＰａｓｓｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ 变化可补偿由温度变化引起的漂移，但当衬底材料的热 膨胀系数较大时，透射光谱在温度上升和下降的过程中 会发生畸变。本文设计的长周期光纤光栅的温度补偿封 Ｐａｃｋａｇｅ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｏｎｇ Ｐｅｒｉｄ Ｆｉｏｂｅｒ Ｃ，ｒａｔｉｎｇｓ［．ｑ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆＫｏｒｅａ，１９９９（３）：７４－７９． 装由于其在温度变化时表现出了较高的波形稳定性，可 应用在光纤滤波器中。同时该种具有温度自补偿功能的 ［５】黄平，阮隽，曾庆科，等．通信中长周期光纤光栅温度 敏感性的补偿方法［Ｊ］．光通信研究，２００８（４）：３７—３８． ［６］Ｑｉｎ Ｌ，Ｗｅｉ Ｅ Ｘ，Ｗａｎｇ Ｇ Ｑ ｅｔ ａ１．Ｃｏｍｐａｃｔ 传感器结构为船舶等结构的温度和应变测量提供了新途 径，该技术也可运用于船舶关键参数的工程测量。 ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ・・ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｐａｃｋａｇｅ ｆｏｒ ｌｏｎｇ－－ｐｅｒｉｏｄ ｉｆｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｏｐｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０００，１４（８）：２３９－２４２． 参考文献： ［１］Ｑｉｎ Ｌ，Ｗｅｉ Ｚ Ｘ，Ｗａｎｇ ＱＹ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｍｐａｃｔ ｐａｃｋａｇｅ ｆｏｒ ｌｏｎｇ－ｐｅｒｉｏｄ ［７】何万迅，吴嘉慧，施文康，等．长周期光纤光栅的 大范围波长调谐与温度补偿［Ｊ］．上海交通大学学 报，２００２，３６（７）：１０２９—１０３１． ｉｆｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｉｒａｌｓ，２０００，１４：２３９—２４２． ［８］周兵，梁大开，王彦．长周期光纤光栅的一种温度 ［２］Ｇｕ Ｘ Ｊ．Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ—ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｉｂｅｒ ｆｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｕｓｉｎｇ ｃａｓｃａｄｅｄ ｌｏｎｇ—ｐｅｒｉｏｄ 补偿方法［Ｊ］．压电与声光，２００８，３０（２）：１５９—１６０． ［９】Ｚｈａｎｇ ｚ，Ｊａｍｅｓ Ｓ，Ｓｉｒｋｉｓ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｌｏｎｇ Ｐｅｒｉｏｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｃｈｅｍｉ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ Ｓｅｒｉｅｓ，１ ９９７，１ ７． ｉｆｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９８，２３：５０９－５１０． ［３］Ｖｅｎｇｓａｒｋａｒ Ａ Ｍ，Ｌｅｍａｉｒｅ Ｐ Ｊ，Ｊｕｄｋｉｎｓ Ｊ Ｂ，ｅｔ ａ１． ２０１５／ 殳备 １６
