傳統(tǒng)膠封光纖光柵 (Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG ) 傳感器的膠黏劑在超低溫環(huán)境中存在著板結(jié)、與基體間熱失配等問(wèn)題。為了解決此問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了金屬化封裝FBG傳感器在0~-160℃的試驗(yàn)分析，下面是主要試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容。
金屬化FBG傳感器在0~-160℃的試驗(yàn)研究：
試驗(yàn)設(shè)備：環(huán)儀儀器 超低溫溫控試驗(yàn)箱
試驗(yàn)儀器：解調(diào)儀、光譜分析儀
試驗(yàn)樣品：金屬化FBG傳感器2個(gè)
樣品處理：通過(guò)超聲焊接技術(shù)，將FBG直接封裝到特定的鋁合金基體表面。并對(duì)封裝后的FBG溫度傳感器的溫度響應(yīng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
試驗(yàn)過(guò)程：
1.先設(shè)置超低溫溫控試驗(yàn)箱的溫度值為0℃，等待35min后記錄FBG溫度傳感器的波長(zhǎng)，將溫度降低20℃并等待35min，依次執(zhí)行直到溫度降低為160℃。
2.然后從-160℃開(kāi)始每次升高溫度20℃并等待35min，直到溫度升高至0℃。觀察并記錄計(jì)算機(jī)和光譜分析儀中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
試驗(yàn)結(jié)果分析：
1.當(dāng)溫度從0℃降低到-160℃過(guò)程時(shí)，兩支FBG溫度傳感器的反射光譜隨溫度變化情況如下圖所示。
從結(jié)果中可以看出，隨著溫度的降低，封裝好的傳感器反射峰值波長(zhǎng)向波長(zhǎng)減小的方向漂移，相鄰反射峰值波長(zhǎng)之間的間隔近似相等。且反射光譜的信噪比高，大于20dB
2.降溫過(guò)程中，兩支FBG傳感器的波長(zhǎng)隨溫度變化曲線如下圖所示。
從圖中可以看出，降溫過(guò)程中封裝后的FBG傳感器的中心波長(zhǎng)與溫度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其中拉伸封裝的FBG溫度傳感器的相關(guān)系數(shù)為 0.9925,其溫度靈敏度為25.99 pm/℃;壓縮封裝的 FBG 溫度傳感器的相關(guān)系數(shù)為0.9944，其溫度靈敏度為26.15pm/℃。
3.當(dāng)溫度從-160℃升溫到0℃過(guò)程中，兩支FBG溫度傳感器的升溫光譜變化如下圖所示。
從結(jié)果中可以看出，隨著溫度的增加，封裝好的傳感器反射峰值波長(zhǎng)向波長(zhǎng)增大的方向漂移，相鄰反射峰值波長(zhǎng)之間的間隔近似相等。且反射光譜的信噪比高，大于20dB。對(duì)于壓縮封裝的FBG溫度傳感器隨著溫度的升高，3dB帶寬逐漸增大，光譜畸變?cè)絹?lái)越明顯，瓣峰峰值逐漸升高。
4.升溫過(guò)程中，兩支FBG溫度傳感器的波長(zhǎng)隨溫度變化擬合曲線如下圖所示。
從圖中可以看出升溫過(guò)程中封裝后的FBG傳感器的中心波長(zhǎng)與溫度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，并且具有良好的溫度靈敏度，其中拉伸封裝的FBG溫度傳感器的相關(guān)系數(shù)為0.9935，其溫度靈敏度為29.77pm/℃;壓縮封裝的FBG 溫度傳感器的相關(guān)系數(shù)為0.9946，其溫度靈敏度為26.20pm/℃。相比于壓縮封裝的FBG溫度傳感器，拉伸封裝的FBG溫度傳感器表現(xiàn)出良好的溫度穩(wěn)定性。
試驗(yàn)結(jié)論：
該封裝形式的FBG傳感器的線性度較好，相關(guān)系數(shù)均在0.99以上。它們的溫度靈敏度系數(shù)在線性變化區(qū)間平均值分別為27.88pm/℃和26.17 pm/℃，分別是封裝前裸光纖光柵的 2.75 倍和 2.58 倍左右，提高了溫度靈敏度。
如需了解更多超低溫溫控試驗(yàn)箱的試驗(yàn)研究，可以咨詢(xún)環(huán)儀儀器相關(guān)技術(shù)人員。
