基片式高灵敏度光纤光栅温度传感器(2)

　　3.2实验结果和分析

　　实验过程中一共记录了7组不同温度时的光纤光栅波长变化情况，该数据记录如表1所示。

　　对表中所记录的数据进行直线拟合，从而得出裸光纤光栅的中心反射波长λ1与温度之间的关系为λ1=0.0103T+1546.821，即该裸光纤光栅测量表面温度时的灵敏度为10.3pm/℃。另外，封装的光纤光栅的中心反射波长λf与温度之间的关系为λf=0.0268T+1547.878，即封装后的光纤光栅测量表面温度时的灵敏度为26.8pm/℃。这两者的拟合曲线如图6所示，并且在不同温度时的波长变化的误差如图7所示。从图6中可以看出封装的光纤光栅与裸光纤光栅在测量物体表面温度时，封装的光纤光栅的灵敏度更高，而且从图7中看出，当物体表面温度越高时，封装的光纤光栅与裸光纤光栅的波长变化误差也越来越大。虽然这种封装的方式使得光纤光栅测量物体表面温度的灵敏度提高，但是这种封装的方式和现有的封装方式区别不大，因此，为尽可能提高光纤光栅测量物体表面温度的灵敏性，需要对这种封装方式进行改进设计。

　　4封装模型改进设计

　　为了增大光纤光栅测量物体表面温度的灵敏度，单一地运用一种热膨胀系数大的材料作为封装的基底材料确实可以提高灵敏度，但是这种封装方式对于灵敏度的提高只是运用了材料热膨胀系数大的材料受热变形大的机理来提高灵敏度，因此对该封装方式进行改进设计，使用两种不同热膨胀系数的材料，将这两种材料设计成组合体，进行过渡配合，其配合模型如图8所示，选热膨胀系数比较低的殷钢和热膨胀系数比较大的铝，将铝和殷钢进行过渡配合，当铝受热时产生变形，从而在铝和殷钢之间形成擠压力，这种挤压力的分布是中心对称且合力是指向两端，使得铝向两端延伸，而铝由于自身的受热膨胀也将向两端延伸，因此铝片的总应变是挤压变形和受热变形同时作用的效果，以此为原理对封装模型进行改进。

　　4.1有限元热静力分析

　　将殷钢-铝基片封装的模型进行有限元热静力分析，其网格划分和热分析加载条件如前文所述，仿真结果如图9所示。

　　可以看出加载条件相同的条件下，这种改进设计的殷钢-铝基片封装模型与前文中的铝基片封装模型的热分析结果相比，其铝片的最大应变为0.0052539mm，最大应变增大了0.0014093mm。由此得出这种改进设计方法的有效性。

　　4.2实验验证

　　将前文中的裸光纤光栅替换成这种改进设计的殷钢-铝基片封装的温度传感器，将殷钢-铝基片封装的温度传感器与单纯的铝基片封装的温度传感器做灵敏性对比试验，其他实验条件均不变。

　　实验过程中一共记录了7组不同温度时的光纤光栅波长变化情况，该数据记录如表2所示。对表中所记录的数据进行直线拟合，从而得出改进设计封装的光纤光栅的中心反射波长λg与温度之间的关系为λg=0.03321T+1547.517，即改进设计封装的光纤光栅测量表面温度时的灵敏度为33.21pm/℃。与铝基片封装的光纤光栅相比，这种改进设计的封装方法使光纤光栅测量物体表面的灵敏度增大了6.41pm/℃。将这种封装方法的实验数据进行拟合，所得的拟合曲线如图10所示。对比两种封装方式，可以看出改进设计封装的光纤光栅测量温度时的灵敏度有很大提高。

　　5结束语

　　本文设计一种基片式光纤光栅温度传感器的封装方法，通过理论分析和具体实验验证了初步设计封装的传感器的温敏特性，并对这种基片式封装方法提出了改进设计，最终改进设计出一种高灵敏度光纤光栅温度传感器的封装方案，即殷钢和铝作为基底材料，用聚乙酯塑料壳和导热脂封装的温度传感器，且经过具体的实验证明了该种封装设计的有效性，这种改进设计的温度传感器的线性相关系数为0.996，灵敏度是33.21pm/℃，是裸光纤光栅温度传感器的3.224倍，并且有很好的重复性，可广泛应用于多种场合的物体表面的温度测量，具有很好的应用前景。

　　作者：彭雄辉

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