绝缘子保护的FBG温度传感器探讨

　　摘要：电力系统的输变电设备经常处于自然环境中，电气设备虽然有绝缘层但是很容易被氧化，因此现实生活中经常出现电路故障等问题，有的甚至造成不可估量的经济损失和人员伤亡。进入二十一世纪以来，科学家们针对这一问题积极研究了具有绝缘子保护的光纤BRAGG温度传感器，也可以称为FBG，这种温度传感器主要功能是检测电气设备经常发热的工作构件是否运行正常。本文主要研究了绝缘子保护的FBG温度传感器的结构和工作原理，做了一些关于绝缘子保护的FBG温度传感器的性能测试，希望能够解决电力系统输变电设备在实际工作过程中出现的问题，最大限度地降低经济损失。

　　关键词：绝缘子保护；FBG；温度传感器；性能测试

　　温度是环境检测不可或缺的参考因素之一，研究人员通过观察温度数据的分布与变化，可以提高海洋监测、国防建设以及其他科学事业研究等工作的工作效率。和以往传统的电学传感器相比，光纤传感器具有突出的工作优势，这主要表现在传感特性等方面，比如反应灵敏度较高、经济成本比较低以及光路可以根据工作实际需求调整弯曲度等等。基于光纤布拉格光栅技术的温度传感器，主要采用了波长编码技术，在长期监测工作中扮演着至关重要的角色，能够有效消除光源功率波动造成的不良影响。针对海洋复杂的自然环境，本文提出了一种新的温度检测方法，采用了光纤布拉格光栅温度传感器的封装形式，这种全新的结构设计一方面能够有效减少交叉敏感问题对温度测量精度的负面影响，尽可能避免工作测量误差，另一方面还能够实现温度增敏的主要工作目的。

　　1.绝缘子保护的FBG温度传感器的结构和工作原理

　　1.1绝缘子保护的FBG温度传感器的结构

　　光纤光栅充分利用了光纤的光敏性原理，在光纤内部形成了一种空间相位光栅，能够准确反映沿纤芯折射率的周期变化规律。一旦有宽带光源照射到了光纤布拉格光栅上，光栅就可以有选择性地反射入射光，通常来讲，反射光的中心波长也可以称为布拉格波长。实践证明，如果光纤光栅传感器的温度和应变两个參数同时发生变化，那么这两个参数都可以导致BRAGG温度传感器波长发生漂移。研究人员如果单方面地从单一的波长漂移量来进行数据分析工作，是无法分辨出实验结果变化的主要影响因素究竟是温度还是应变，如果研究人员想将光纤光栅温度传感器实际运用到现实生活中，就必须采取合理的封装技术或者人为提出非温度因素的影响。在把FBG粘贴在热膨胀系数比较大的材料进行增敏封装的时候，应该充分利用这种特殊材料的热膨胀作用，使光纤周期发生明显变化，进而提高光栅的温度灵敏度。

　　1.2绝缘子保护的FBG温度传感器的结构

　　绝缘子保护的FBG温度传感器的结构主要包括以下两个方面：选择封装外壳以及选择合适的封装方法。工作人员在测量海洋环境温度变化的过程中，需要把研制的FBG温度传感器具体投放在海洋环境中，封装海洋环境监测传感器结构时，需要充分考虑封装的结构强度、耐高压以及防腐、回收利用等因素，常用的封装材料包括金属和聚合物。可以采用以下几种封装方法：其一，使用贴片封装等方法将FBG直接粘贴在基底材料上，在封装过程中可以采用一种耐高温有机胶材料，众所周知，基底材料的线膨胀系数比FBG大，因此它可以有效提高温度灵敏度系数；其二，使用毛细钢管封装法，采用各种各样的模具和管材进行灌封，首先把毛细钢管套在FBG上，中间灌封材料有选择性使用改性丙烯酸酯，然后工作人员再把它放在烘箱里面进行烘干和固化工作。但是在实际工作过程中，毛细钢管的直径实在是太小了，工作人员在灌封改性丙烯酸酯时十分容易出现操作失误，而另外一种封装方法--把FBG黏在基底上进行封装也会造成FBG线膨胀不均匀。所以，这两种封装方式都不理想，或多或少地造成了经济损失，不利于工作质量和工作效率的进一步提高。后来科学家们发现，如果利用金属管进行封装，可以充分发挥金属管封装结构紧凑、体积小以及导热快的工作优势，提高温度灵敏度，从而实现保护FBG以及增敏的工作目的。而在所有的金属材料中，紫铜是一种相对完美的选择，拥有较高的纯度、延展性、导热性以及耐腐蚀性，再加上紫铜的导热率比较高，所以在电力生产和热力设备中取得了比较广泛的应用。就封装方法而言，可以采用特殊的环氧胶对光栅进行温敏封装，将环氧胶和光栅、紫铜紧密结合起来。填充物的热膨胀系数比较大，一旦温度发生变化，就可以引起布拉格波长的变化，产生传感布拉格波长的漂移，进而实现温度增敏。为了能够彻底解决温度传感器对轴向应力敏感的问题，在实际封装温度传感器的时候可以使用紫铜管保护光纤光栅，使用弹性系数比较小的弹簧恒定预应力封装。堵头可以固定光纤，避免光纤出现移动，减少应力对光纤光栅造成的不良影响，工作人员也可以人为地在两个堵头之间有效填充导热环氧胶，最大限度地提高光纤光栅的温度灵敏度，切实增强金属管的封装强度。可以在两个堵头中间填充一个弹簧，不断拉动光纤左端部的尾纤，施加一定的预应力从而使弹簧产生一定形变，形成一种光栅一端受到弹簧恒定张力、另一端处于自由状态的特殊结构，使光纤光栅能够自动屏蔽轴向应力的不良影响。[1]

　　2.绝缘子保护的FBG温度传感器的性能测试

　　电力系统是否可以准确并且安全地检测出关键设备的过热点是安全供电的基础条件。在具体实验中，可以使用二级精度的水银温度计作为具体测量标准，如果恒温槽的温度接近设定温度，温控系统就可以自动根据感温器测量的温度控制混合区的加热器工作，热量可以被送到特殊的工作范围区域，避免外界各种因素的干扰，从而保持温度的绝对恒定。传感器的输出信号可以通过光谱分析仪并且解调出反射中心波长，工作人员可以利用望远镜准确读取水银温度计的指示值。待测试的温度传感器可以根据工作环境的不同温度，自动输出相对应的波长，科学比较环境温度和波长，整理数据绘制出一条专门的曲线以反应温度和波长之间的对应关系，进而得到传感器性能指标的测试结果。研究人员可以针对传感器做二十次升温实验，在实验过程中不能过分关注缩减实验时间，一定要等到恒温槽的介质稳定在设定的温度值，然后再通过望远镜及时读取温度计的温度。[2]

　　结语

　　本文对海洋环境的温度测量提出了一种全新的FBG温度传感器的封装方法，可以切实解决以往温度测量工作中出现的部分问题，提高工作质量和工作效率，提高测量灵敏度。这种绝缘子保护的FBG温度传感器选择的工业材料是硅橡胶憎水性材料，然后再和一体成型的结构完成传感器的加工制作。光纤光栅由于受到了绝缘子层的重重保护，温度传感器可以在高压环境下正常工作运行，有效避免电气设备因为被氧化而出现造成输电线路故障的问题。在对具有绝缘子保护的FBG温度传感器进行温度性能测试时，研究人员进行了大量的实验数据分析和数据整理，最终发现温度传感器的灵敏度系数为10.2，线性度为0.70。

　　参考文献： 

　　[1]张登攀，郑艳，王晋，王永杰.FBG温度传感器交叉敏感问题的研究[J].大气与环境光学学报，2016，11（3）. 

　　[2]李英娜，徐树振，田雷，李川，张旭，赵振刚.绝缘子保护的FBG温度传感器研究.传感器与微系统，2013，32（7）. 

    作者：钱力峰