一、研究背景与意义
锅炉高温金属部件的温度监测尤为关键，传统贵金属热电偶存在使用寿命短、布线难度高的问题。FBG传感器具备抗电磁干扰、高灵敏度、布设自由度高、可单通道多点检测的优势，适配锅炉高温测温工况，本文设计了基于光纤布拉格光栅（FBG）的分布式温度传感器，通过栅区镀金、结构封装、耦合设计等优化传感器性能，经实验室标定与电厂现场试验验证了传感器的可靠性，其测温性能与热电偶相当且兼具布线简单、成本低的优势，为锅炉高温测温提供了新方案，解决高温测温中的应力干扰、线性度低、热传导慢等问题。
二、FBG传感原理
FBG依托热光效应与热膨胀效应实现温度传感，其反射光中心波长公式为：
其中neff为纤芯有效折射率，Λ 为光栅周期。对公式微分得波长变化量：
结合热膨胀系数与热光系数：
推导出温度与波长漂移的关系：
实际应用中需消除温度-应力交叉影响，通过合理设计传感器夹持结构或双光栅补偿的方法可以避免引入的交叉影响，保证测温精度。
三、FBG温度传感器设计与安装
为适配锅炉水冷管测温需求，从结构封装、镀层选择、热传导优化三方面设计传感器，核心设计如下：
1、应力消除结构
设计304不锈钢特制管夹的传感器安装结构如图1所示，管夹侧面开椭圆形开孔、选用与水冷管壁相同材质，消除制造和温变导致的膨胀应力，避免温度-应力交叉干扰，安装简便且不改变管道结构。
图1 传感器安装结构
2、镀层与光栅参数
对比光纤镀层工作温度，选择化学性质稳定、工作温度适配的金镀层，栅区镀金厚度50nm；所用FBG中心波长1529nm、反射率＞90%、栅区长度10mm，通过飞秒激光直写制备。飞秒激光直写的Ⅱ型光栅，叠加金镀层的高温防护与化学稳定特性，实现了耐高温、抗干扰、稳定性高、高精度的四重突破。
3、热传导优化
在传感器与管壁间涂抹高温硅脂（2.5W/m·K），排出空气间隙，使传感器达到稳态的时间缩短35%，提升瞬态热传导效率与响应速度。
四、实验室标定实验
搭建实验系统如图2所示，采用管式加热炉开展25~800℃标定实验，对比栅区未镀金与镀金传感器的性能，并验证线性范围和重复性，核心结果结合数据结果如下展示。
图2 试验系统
1、FBG镀金与未镀金性能对比
传感器25~800℃标定结果如图3所示，图3(a)为未镀金FBG传感器，全量程线性度0.95以上、灵敏度14.6×10-12m/℃；图3(b)为镀金传感器，线性度提升至0.99以上，金镀层解决了传统铜镀层高温氧化导致的灵敏度降低问题，兼顾高温韧性与传感性能。
图3 FBG温度传感器温度标定结果
2、线性范围与重复性验证
传感器线性范围及重复性结果如图4所示，图4(a)显示在锅炉实际工作温区300~720℃内，镀金传感器线性度进一步提升至0.999以上，灵敏度达15.6×10-12m/℃；图4(b)为四次升-降温循环实验结果，传感器输出随温度变化呈良好线性，多次高温冷却后重复性提升，最大偏差仅为全量程的4%，满足锅炉测温的重复性要求。
图4 传感器线性范围及重复性实验结果
五、电厂现场实验
在某超临界二次再热机组电厂开展现场试验，将镀金FBG传感器安装在锅炉一、二次再热器出口集箱连接管处，每根连接管布设2根光纤、每根光纤设3个光栅测温点，通过管夹固定并涂抹高温硅脂，同时控制螺栓预紧力消除应力干扰。
将FBG传感器数据与电厂K型热电偶数据对比，热电偶与FBG传感器数据波形图（图5）显示，二者测温结果具有良好一致性，能精准反映锅炉管温度变化趋势，最大温度测量误差为4%；仅因锅炉内部零件受热膨胀振动，部分点位数据存在轻微扰动，整体稳定性良好。现场应用中，FBG传感器实现单通道多点测温，相较热电偶大幅降低布线难度与成本。
图5 FBG测温数据和热电偶测值波形对比
六、研究结论
本文设计的FBG分布式温度传感器针对性解决了锅炉受热面管高温测温难题，核心成果如下：
1. 栅区镀金显著提升传感器性能，未镀金传感器全量程线性度0.95以上、灵敏度14.6×10-12m/℃，镀金后在300~720℃内线性度0.99以上、灵敏度15.6×10-12m/℃，四次升-降温实验最大偏差仅为全量程4%；
2. 特制管夹与高温硅脂分别消除了应力干扰、提升了热传导效率，保证了测温精度与响应速度；
3. 电厂现场试验中，FBG传感器测温性能与K型热电偶相当，最大测量误差4%，且兼具布线简单、成本低、单通道多点检测的优势。研究也指出，传感器受锅炉内部震动存在轻微数据扰动，后续需优化铠装方式，并开展长时间运行实验完善失效区间与性能对比研究。