超低温温控试验箱用于FBG传感器的超低温试验研究

编辑 | 环仪仪器

传统胶封光纤光栅 (Fiber Bragg Grating，FBG ) 传感器的胶黏剂在超低温环境中存在着板结、与基体间热失配等问题。为了解决此问题，我们设计了金属化封装FBG传感器在0~-160℃的试验分析，下面是主要试验研究内容。

金属化FBG传感器在0~-160℃的试验研究：

试验设备：环仪仪器 超低温温控试验箱

试验仪器：解调仪、光谱分析仪

试验样品：金属化FBG传感器2个

样品处理：通过超声焊接技术，将FBG直接封装到特定的铝合金基体表面。并对封装后的FBG温度传感器的温度响应特性进行了实验验证。

试验过程：

1.先设置超低温温控试验箱的温度值为0℃，等待35min后记录FBG温度传感器的波长，将温度降低20℃并等待35min，依次执行直到温度降低为160℃。

2.然后从-160℃开始每次升高温度20℃并等待35min，直到温度升高至0℃。观察并记录计算机和光谱分析仪中的实验数据。

试验结果分析：

1.当温度从0℃降低到-160℃过程时，两支FBG温度传感器的反射光谱随温度变化情况如下图所示。

从结果中可以看出，随着温度的降低，封装好的传感器反射峰值波长向波长减小的方向漂移，相邻反射峰值波长之间的间隔近似相等。且反射光谱的信噪比高，大于20dB

2.降温过程中，两支FBG传感器的波长随温度变化曲线如下图所示。

从图中可以看出，降温过程中封装后的FBG传感器的中心波长与温度呈现良好的线性关系，其中拉伸封装的FBG温度传感器的相关系数为 0.9925,其温度灵敏度为25.99 pm/℃;压缩封装的 FBG 温度传感器的相关系数为0.9944，其温度灵敏度为26.15pm/℃。

3.当温度从-160℃升温到0℃过程中，两支FBG温度传感器的升温光谱变化如下图所示。

从结果中可以看出，随着温度的增加，封装好的传感器反射峰值波长向波长增大的方向漂移，相邻反射峰值波长之间的间隔近似相等。且反射光谱的信噪比高，大于20dB。对于压缩封装的FBG温度传感器随着温度的升高，3dB带宽逐渐增大，光谱畸变越来越明显，瓣峰峰值逐渐升高。

4.升温过程中，两支FBG温度传感器的波长随温度变化拟合曲线如下图所示。

从图中可以看出升温过程中封装后的FBG传感器的中心波长与温度呈现良好的线性关系，并且具有良好的温度灵敏度，其中拉伸封装的FBG温度传感器的相关系数为0.9935，其温度灵敏度为29.77pm/℃;压缩封装的FBG 温度传感器的相关系数为0.9946，其温度灵敏度为26.20pm/℃。相比于压缩封装的FBG温度传感器，拉伸封装的FBG温度传感器表现出良好的温度稳定性。

试验结论：

该封装形式的FBG传感器的线性度较好，相关系数均在0.99以上。它们的温度灵敏度系数在线性变化区间平均值分别为27.88pm/℃和26.17 pm/℃，分别是封装前裸光纤光栅的 2.75 倍和 2.58 倍左右，提高了温度灵敏度。

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