郭 博

試論基于光纖光柵探測器的室內(nèi)溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計

郭 博

為了精確、穩(wěn)定地獲得糧倉內(nèi)大范圍的溫度分布，設(shè)計了光纖布拉格光柵測溫系統(tǒng)。系統(tǒng)通過光纖網(wǎng)絡(luò)對糧倉內(nèi)進行大范圍溫度檢測，利用光纖布拉格光柵所測溫度與中心波長之間存在線性的關(guān)系，根據(jù)光譜線性頻移函數(shù)獲得倉內(nèi)各位置的精確溫度。其中每個光柵的工作波長相互分開，經(jīng)3dB的耦合器反射后，再用波長探測解調(diào)系統(tǒng)對多個光柵的線性頻移進行測量，即可檢測出倉內(nèi)各處的溫度。實驗采用FBG封裝的光纖、LPT-101型光源、放大處理電路等設(shè)備獲得采集得到的溫度信息。通過Origin軟件畫出了被測溫度與波長頻移的關(guān)系圖，同時與傳統(tǒng)的測量方法K型熱電偶的測量數(shù)據(jù)進行比較。實驗結(jié)果顯示，光纖布拉格光柵測得溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度更接近，且抗干擾能力更強，滿足糧倉內(nèi)大范圍溫度監(jiān)測的要求。

光纖布拉格光柵 溫度檢測光 譜線性頻移 糧倉

溫度檢測在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，生產(chǎn)廠房的溫度檢測、住宅區(qū)的室溫控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫室大棚的恒溫監(jiān)控等。目前，國內(nèi)外對于溫度檢測的主要方法有：熱電偶型測溫系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，探測區(qū)域大的特性，而其屬于接觸式測量，易污染、精度較低。數(shù)字集成溫度探測芯片，該溫度探測器功耗低、體積小，常應(yīng)用于單點探測，在多點位大范圍測試中誤差較大。除此之外，光纖測溫器也是一個常見類型，其靈敏度高、適合遠距離檢測，但多路檢測測量難度大、工藝復(fù)雜、價格高；半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其優(yōu)點是將光纖僅用于傳輸，測量采用其他光學(xué)或機械的元件完成，監(jiān)測被測溫度的變化；智能（數(shù)字）溫度傳感器溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其內(nèi)部包含處理芯片，適用于測溫位置在線處理的場合。我國傳統(tǒng)的內(nèi)部溫度測量方法是直接將溫度計插入糧食中檢測，工作量大、效率低、精度差；除此之外，國內(nèi)還有采用基于PN結(jié)或熱敏電阻的溫度檢測系統(tǒng)，但其傳統(tǒng)電路設(shè)計上存在干擾、濾波不穩(wěn)定，線路復(fù)雜等問題。而測溫電纜技術(shù)在實際應(yīng)用中不但工藝復(fù)雜，且部分結(jié)構(gòu)需要專用設(shè)備，十分不便。

相比之下，采用波長調(diào)制的光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）傳感器避免了溫度測試信號受光源變動、光纖損耗等的影響；采用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串入多個布拉格光柵實現(xiàn)分布式測量，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度；采用光譜線性頻移的監(jiān)測手段，測量精度高、范圍廣、分布密度大。本文在采用分布式光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用光纖布拉格光柵所測溫度與中心波長之間的線性函數(shù)關(guān)系，提出了一種通過光譜線性頻移反演分布式糧溫的新方法，提高了檢測精度、溫控范圍和溫度數(shù)據(jù)密度。

一、溫度探測系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用了一種新的分布式光纖布拉格光柵測溫方法，即通過光纖布拉格光柵溫度探測器對糧倉各處的局部溫度進行監(jiān)測。由于光譜線性頻移程度與被測溫度存在函數(shù)關(guān)系，即中心波長與被測溫度之間呈線性關(guān)系。分布式光纖探測系統(tǒng)是可從整體上大范圍地對被測物理量的變化進行監(jiān)測的探測網(wǎng)絡(luò)。本文采用的是分布式光纖布拉格光柵探測結(jié)構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)性能，建立了糧倉的數(shù)學(xué)模型。處理器控制寬帶光源發(fā)射探測光，通過耦合器進入多組光纖通道，每組光纖通道中設(shè)置光纖光柵探測器，在糧倉內(nèi)網(wǎng)絡(luò)式分布，從而獲得糧倉內(nèi)各處的糧溫數(shù)據(jù)?；夭ㄐ盘柦?jīng)解調(diào)儀解調(diào)，將帶有溫度信息的數(shù)據(jù)傳給處理器，經(jīng)過處理器將糧倉各位置糧溫數(shù)據(jù)顯示在控制臺上。

二、光纖光柵基本原理

在光纖光柵之前，將在平面光波導(dǎo)中沿入射光傳播方向制作的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)，即布拉格光柵。光纖中的光柵反射實際上是一種層狀介質(zhì)的反射，由光纖中沿軸向分布的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成光纖布拉格光柵。

常用的電類溫度傳感器有熱敏電阻溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器，其極易受外界的電磁干擾，會由于測量距離、輻射系數(shù)等因素導(dǎo)致測量精度降低。而光纖光柵溫度傳感器不僅具有普通光纖溫度傳感器的優(yōu)點，還有光譜特性好、損耗率低及穩(wěn)定性高等特點，且波長編碼信息不受光源功率波動或耦合損耗等的影響。同時，在一根光纖中可設(shè)置多個光柵，使光柵陣列信息量大，結(jié)合波分復(fù)用等技術(shù)非常適合大范圍的分布式網(wǎng)絡(luò)化的糧溫監(jiān)測。

光纖布拉格光柵探測器中的寬譜光源可采用面發(fā)光二極管SLED或放大自發(fā)輻射光源ASE等，光傳輸及轉(zhuǎn)換部分由光耦合器或光環(huán)形器構(gòu)成。當(dāng)光源系統(tǒng)發(fā)出一定帶寬的光入射到光纖光柵后，由于光纖光柵對中心波長具有選擇作用，只有符合波長關(guān)系的光被才會被反射，并再次通過光傳輸結(jié)構(gòu)送入解調(diào)裝置解調(diào)，最后解調(diào)光會體現(xiàn)出光纖光柵反射波長的變化特性。當(dāng)利用光纖布拉格光柵原理檢測糧倉內(nèi)局部糧溫時，由于糧溫變化引發(fā)的光柵自身的折射率或柵距的改變會使反射波長產(chǎn)生相應(yīng)的變化，最終對由解調(diào)器檢測得到的波長變化推導(dǎo)計算即可求得相應(yīng)位置實時的糧溫數(shù)據(jù)。探測器獲得的尖峰波長隨著糧溫的變化持續(xù)變化，探測器帶寬是指光纖布拉格光柵反射峰對應(yīng)的帶寬，其檢測精度越高，則帶寬就越小，由于工藝水平的限制，一般在0.2～0.3 nm之間。

三、解調(diào)儀

光纖布拉格光柵采用波長調(diào)制，對布拉格波長移動的檢測獲取糧溫變化信息的重要步驟。目前國內(nèi)外實用化的解調(diào)技術(shù)主要有：采用可調(diào)諧F-P濾波器和寬帶光源掃描傳感光纖光柵的反射譜；采用大功率可調(diào)諧窄帶激光源對傳感光纖光柵進行波長掃描；采用建立在色散元件和陣列相結(jié)合基礎(chǔ)上的光譜成像技術(shù)進行波長分析。ASE光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)過F-P（Fabry-Perot）濾波器，因為不同的掃描電壓所對應(yīng)的中心波長各有不同。在掃描電壓的控制下，窄帶光穿過F-P濾波器，其中透射光經(jīng)耦合器的分光后，產(chǎn)生多個可與測量通道相接的光路，3個測量通道的反射光回波信號被光電探測器采集從而獲得反射譜。這些反射譜都是電壓信號，被放大濾波后傳輸給信號采集模塊，最終導(dǎo)入計算機，從而解調(diào)出糧溫信息。

四、結(jié)束語

本文針對糧倉內(nèi)大范圍的糧溫實時監(jiān)測困難大，設(shè)計了基于光纖布拉格光柵測溫原理的分布式糧溫網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)光纖布拉格光柵所測溫度與中心波長之間存在線性的關(guān)系，利用光譜線性頻移函數(shù)獲得倉內(nèi)各位置的精確溫度。實驗采用LPT-101型光源、FBG封裝的光纖及處理電路等獲得模擬糧倉中的分布溫度數(shù)據(jù)。通過計算光譜線性頻移量及溫度標(biāo)定的方法獲得對應(yīng)處溫度信息，再由Origin軟件畫出了被測溫度與波長變化的關(guān)系圖，與傳統(tǒng)的K型熱電偶單點測溫方法進行比較。實驗結(jié)果顯示，光纖布拉格光柵測溫法的精度滿足設(shè)計要求，且具備抗干擾能力強，可獲得大范圍多點的實時糧溫數(shù)據(jù)。