原鵬飛 王 高 李仰軍

（1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051）

1 引言

由于布拉格光纖光柵傳感器具有許多不可替代的優(yōu)點(diǎn)以及廣泛的應(yīng)用前景，得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，其研究和開(kāi)發(fā)在世界范圍內(nèi)引起了高度的重視。在短短十幾年內(nèi)，針對(duì)布拉格光纖光柵智能傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用化研究和應(yīng)用己經(jīng)取得了一些進(jìn)展，

主要應(yīng)用領(lǐng)域涉及：民用工程結(jié)構(gòu)、航空航天業(yè)、船舶航運(yùn)業(yè)、石油化工業(yè)、電力工業(yè)、核工業(yè)、醫(yī)學(xué)等。隨著光纖技術(shù)的日趨成熟，對(duì)光纖傳感器的實(shí)用化開(kāi)發(fā)成為整個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)和關(guān)鍵。

2 光纖光柵溫度傳感特性

用寬帶光源從光纖布喇格光柵一端入射，由于折射率的周期變化，使得纖芯中向前和向后的光波耦合。滿(mǎn)足布喇格條件波長(zhǎng)的光功率耦合到向后的傳輸波中，在反射譜中形成峰值，在透射譜中形成中心波長(zhǎng)的峰谷。布喇格條件為

式中λ為光柵中心波長(zhǎng)，n為纖芯有效折射率，Λ為纖芯折射率的調(diào)制周期。

溫度變化既引起光纖光柵折射率的變化，同時(shí)由于熱膨脹也引起柵距的變化。將不考慮波導(dǎo)效應(yīng)，將式（1）對(duì)溫度T取導(dǎo)數(shù)，可得

式（5）即為假定沒(méi)有應(yīng)變作用的光纖光柵中心波長(zhǎng)變化與溫度增量的關(guān)系。

3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)及工作原理如圖1所示

圖1 為所設(shè)計(jì)的分布式FBG波長(zhǎng)測(cè)溫的基本原理圖

分布式FBG傳感系統(tǒng)在一根光纖中串接多個(gè)FBG 傳感器λ l、λ 2、λ 3，λ 4，λ 5，λ 6，λ 7。當(dāng)寬帶光源的光入射光纖時(shí)，每一個(gè)波長(zhǎng)的FBG都會(huì)反射回一個(gè)不同波長(zhǎng)的窄帶光波。外界物理量，如溫度或應(yīng)變作用于傳感FBG時(shí)，都會(huì)引起波長(zhǎng)的平移。因此解調(diào)系統(tǒng)可以通過(guò)測(cè)量各點(diǎn)傳感光柵反射波長(zhǎng)的平移量來(lái)測(cè)量各點(diǎn)的物理參量。反射光經(jīng)耦合器進(jìn)入可調(diào)窄帶光纖F-P濾波器。本方案可以同時(shí)可以采用外部驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)接收同步信號(hào)。

4 封裝后的光纖

圖2 封裝好的光纖布拉格光柵

本次實(shí)驗(yàn)所用到的三根光纖上的光柵都是經(jīng)過(guò)封裝的，如上圖所示。雖然裸FBG的線(xiàn)性關(guān)系良好，但其熱靈敏度不高，并且容易折斷，所以要對(duì)其進(jìn)行封裝。本次實(shí)驗(yàn)室對(duì)溫度的測(cè)量，所以為了防止外部應(yīng)力對(duì)FBG的影響，一般封裝形式是在FBG上套上金屬管。比如使用毛細(xì)鋼管進(jìn)行封裝，還有的是在金屬管內(nèi)部粘上一個(gè)熱膨脹率高的基底，然后再將FBG粘在基底上[31]。但是毛細(xì)鋼管直徑太小，不利于灌膠，而將FBG粘在基底上則是利用基底的熱膨脹來(lái)壓迫FBG，但是這樣的方法使得FBG受到的熱膨脹不均勻。本論文使用的是一種新型的封裝形式，可以避免以上兩種封裝的缺點(diǎn)。即將FBG用環(huán)氧樹(shù)脂膠封裝于三根鋼條之間，并在三根鋼條之外套上金屬管。

圖3 FBG的封裝結(jié)構(gòu)

圖3 .7即為FBG的封裝結(jié)構(gòu)。從圖上可以看到，我們使用環(huán)氧樹(shù)脂膠將FBG封裝于三根鋼條之間，這樣FBG處于環(huán)氧樹(shù)脂膠之中可以保證其受熱膨脹的均勻性。三根鋼條之外再套上鋼管保護(hù)FBG不受外部應(yīng)力的影響[32]。這樣的封裝結(jié)構(gòu)有利于灌膠。我們?cè)阡摴苤凶⑷雽?dǎo)熱膏，用來(lái)加快熱傳導(dǎo)的速度。在灌膠的時(shí)候要一邊加熱一邊灌，這樣可以防止導(dǎo)熱膏出現(xiàn)氣泡，保證導(dǎo)熱的均勻性。在單根光纖上連續(xù)寫(xiě)入多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光柵，無(wú)熔接點(diǎn)，增加了抗拉強(qiáng)度，滿(mǎn)足了長(zhǎng)距離測(cè)量或多點(diǎn)測(cè)量的需要，可提高測(cè)量系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。封裝后的光纖光柵中心波長(zhǎng)為1510～1590nm，工作溫度為-5～80℃。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)解調(diào)儀解調(diào)后，用labview顯示的如圖二所示，可以明顯看出一根光纖上7個(gè)不同中心波長(zhǎng)的布拉格光柵，封裝的布拉格光纖傳感器隨溫度變化中心波長(zhǎng)漂移，可以看出各個(gè)點(diǎn)中心波長(zhǎng)的變化，變化的中心波長(zhǎng)與溫度有一定的線(xiàn)性關(guān)系。

圖4 傳感器各點(diǎn)的中心波長(zhǎng)圖

將封裝的布拉格光纖傳感器放置在恒溫箱中，設(shè)置恒溫箱溫度為10℃，20℃，30℃，40℃，50℃，60℃，70℃。記錄七個(gè)封裝的光纖傳感器在各個(gè)溫度條件下中心波長(zhǎng)的變化。

圖5 為封裝的1號(hào)傳感器溫度曲線(xiàn)擬合圖

圖6 為封裝的2號(hào)傳感器溫度曲線(xiàn)擬合圖

圖7 為封裝的3號(hào)傳感器溫度曲線(xiàn)擬合圖

圖8 為封裝的4號(hào)傳感器溫度曲線(xiàn)擬合圖

圖9 為封裝的5號(hào)傳感器溫度曲線(xiàn)擬合圖

圖10 為封裝的6號(hào)傳感器溫度曲線(xiàn)擬合圖

圖11 為封裝的7號(hào)傳感器溫度曲線(xiàn)擬合圖

在圖3-9中可以看出，在溫度20～70℃范圍內(nèi)，光纖布拉格的中心波長(zhǎng)隨溫度變化呈良好的線(xiàn)性，線(xiàn)性度達(dá)到99.6%以上。相對(duì)誤差可能是由于溫控箱密封不好，導(dǎo)致溫度計(jì)讀數(shù)誤差所致。另外，光譜儀存在一定的回程誤差，這使得記錄波長(zhǎng)同實(shí)際波長(zhǎng)有一定的偏差。

6 結(jié)論

本文提出了分布式光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，光纖光柵波長(zhǎng)隨溫度變化發(fā)生漂移，在一根光纖上刻不同中心波長(zhǎng)的布拉格光柵，能夠滿(mǎn)足在大工程測(cè)量中大面積的多點(diǎn)測(cè)量。通過(guò)對(duì)封裝的傳感器進(jìn)行恒溫的定標(biāo)后，利用高精度熱電偶傳感器與布拉格傳感器測(cè)量的溫度對(duì)比，光柵的溫度敏感性可以達(dá)到20 pm/℃，光柵的測(cè)量溫度與實(shí)際溫度的誤差在3%范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有精度高、適用于分布式多點(diǎn)測(cè)量的特點(diǎn)。

[1] GAO Hong-wei；YUAN Shu-zhong；LIU Bo InGaAs Spectrometer and F-P Filter Combined FBG Sensing Multiplexing Technique[外文期刊]2008（14）.

[2] YANG Xi-chun；PEI Jin-cheng；ZHAN Ya-ge Some engineering issues of an FBG sensor with the dual gratings parallelmatched interrogation method 2007（01）.

[3]饒?jiān)平?；周昌學(xué)；冉曾令啁啾光纖光柵法布里-珀羅傳感器波分復(fù)用[期刊論文]-中國(guó)激光 2006（05）.

[4]金曉龍.基于ZigBee的糧倉(cāng)無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì).測(cè)控技術(shù)，2011，30（10）.

[5]楊仁弟，張艷麗.基于智能溫度傳感器的糧倉(cāng)溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).儀器儀表用戶(hù)，2007，14（3）.

[6]劉勇，吳波等.一種實(shí)用的糧倉(cāng)測(cè)溫儀.傳感器技術(shù)，2003.22（9）.

[7] 曲雙如，丁克勤，趙晶亮 基于光纖光柵傳感器和超磁致伸縮材料的磁場(chǎng)測(cè)量 [期刊論文] -電子測(cè)試2012（1）.

[8] 李宏男；任亮 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)光纖光柵傳感技術(shù) 2008.