闞曉婷， 徐子琦， 劉智超

(長春理工大學(xué) 光電信息學(xué)院，吉林 長春 130000)

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基于差分校正的FBG測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

闞曉婷， 徐子琦， 劉智超

(長春理工大學(xué) 光電信息學(xué)院，吉林 長春 130000)

為了實(shí)現(xiàn)在大范圍被測(cè)區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)的功能，選用光纖布拉格光柵(FBG)測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，為了提高系統(tǒng)的溫度測(cè)試精度和抗干擾能力，設(shè)計(jì)了基于差分校正的FBG測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)在原有測(cè)試結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了校正光纖探頭，從而針對(duì)任意位置上個(gè)別環(huán)境變化造成的溫度誤差進(jìn)行校正。通過理論推導(dǎo)，差分校正值表達(dá)式被給出，并由此設(shè)計(jì)了差分校正算法。實(shí)驗(yàn)采用溫度控制箱使被測(cè)區(qū)域溫度從20 ℃變化為80 ℃，最小溫度改變量為1.0 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：回波中心波長產(chǎn)生的偏移量和溫度之間大致每1.0 ℃的溫度變化產(chǎn)生35～45 pm的偏移。差分校正型測(cè)溫系統(tǒng)的溫度檢測(cè)誤差為0.47 %，優(yōu)于傳統(tǒng)的測(cè)溫系統(tǒng)，并且基于差分校正的測(cè)溫系統(tǒng)受局部環(huán)境影響很小，具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

光纖布拉格光柵； 測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)； 差分校正； 波長偏移量

0 引 言

為了有效地控制工藝過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量在許多生產(chǎn)過程中被應(yīng)用，故各類用于不同場(chǎng)合的溫度檢測(cè)系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生[1]。在炸藥熔鑄、化學(xué)合成等過程中，往往需要具有大范圍、實(shí)時(shí)溫度采集的能力才能滿足準(zhǔn)確判斷反應(yīng)物理過程的要求，而傳統(tǒng)的大范圍溫度檢測(cè)一般采用多組單獨(dú)溫度測(cè)試模塊同時(shí)采集的方法實(shí)現(xiàn)，該方法由于需要多點(diǎn)位設(shè)置處理模塊，故主要缺點(diǎn)是布線復(fù)雜、易損壞,且各探測(cè)器分別引入測(cè)量誤差造成整體測(cè)試誤差較高[2]。

傳統(tǒng)溫度檢測(cè)器件主要包括數(shù)字溫度傳感器[3]、熱電偶溫度檢測(cè)儀[4]、壓力測(cè)溫器[5]以及光纖布拉格光柵(FBG)測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)[6～9]。數(shù)字溫度傳感器體積小、有較高的穩(wěn)定性，但抗干擾能力差、環(huán)境適應(yīng)性低；熱電偶溫度檢測(cè)儀價(jià)格便宜、速度快，但精度低,容易出現(xiàn)探測(cè)器“中毒”現(xiàn)象；壓力測(cè)溫器具有較好的測(cè)試穩(wěn)定性、價(jià)格適中、但其反應(yīng)速度慢,且易受外力作用改變溫度測(cè)試數(shù)據(jù)；FBG測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)價(jià)格低、便于多點(diǎn)引入測(cè)量、工藝簡(jiǎn)單，但其整體易受影響，穩(wěn)定性較低。

通過以上比較可知，對(duì)于大范圍的溫度實(shí)時(shí)探測(cè)，F(xiàn)BG測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。故若能在此基礎(chǔ)上克服FBG測(cè)溫系統(tǒng)整體穩(wěn)定性低的缺點(diǎn)，則該測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)將具有更為廣泛的應(yīng)用前景[10]。本文設(shè)計(jì)了一種基于差分校正方法的FBG測(cè)溫系統(tǒng)，通過雙通道光纖測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的差分校正實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境對(duì)光纖探測(cè)器整體測(cè)溫影響的有效校正。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于傳統(tǒng)的FBG測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)而言，通過寬帶光源輸出激光信號(hào)，激光回波信號(hào)由耦合器進(jìn)入解調(diào)儀，解調(diào)儀采集的信號(hào)經(jīng)電腦完成數(shù)據(jù)處理，最終完成待測(cè)區(qū)域的溫度檢測(cè)。由于光纖探頭分布位置各不相同，環(huán)境條件也有所差異，故各個(gè)探頭的受力情況、溫度差異均不同，所以,測(cè)試過程中系統(tǒng)穩(wěn)定性低，尤其是外力作用不均勻?qū)е碌母鼽c(diǎn)位置實(shí)際參數(shù)不均勻，使測(cè)試溫度出現(xiàn)誤差。為了克服上述問題，提出了差分校正處理方法，將2組光纖傳感網(wǎng)絡(luò)同步使用再進(jìn)行差分處理，從而約掉相同干擾項(xiàng)產(chǎn)生的溫度誤差，系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 基于差分校正的FBG測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)圖

差分校正的FBG測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在原有獨(dú)立的FBG測(cè)溫模塊的基礎(chǔ)上增加了一套校正用測(cè)溫模塊。具體過程：將寬帶光源與光纖分路器相連接，則光信號(hào)分為等能量的兩部分分別進(jìn)入光纖A和光纖B。2組光纖分別與其對(duì)應(yīng)的光纖耦合器連接，從而構(gòu)成2組探測(cè)光纖與回波光纖。2組探測(cè)光纖分別與解調(diào)儀的2個(gè)輸入端相連，最后將2根光纖并列引入被測(cè)區(qū)域完成同點(diǎn)位的溫度測(cè)試。由于在光纖A中的光纖探頭的光柵間隔為DA，其回波中心波長是λA，而在光纖B中的光纖探頭的光柵間隔為DB，其回波中心波長是λB。由于2組測(cè)試數(shù)據(jù)的光柵間隔不同，所以，其波長偏移量也不盡相同，但2個(gè)測(cè)試位置一樣，所以，其收到環(huán)境的干擾因素(包括外力作用、溫度瞬變等)一致。亦即不同的回波波長偏移量是由同一組光源和相同環(huán)境構(gòu)成的，所以，在基于此前提下，可以對(duì)2組回波數(shù)據(jù)進(jìn)行差分校正補(bǔ)償，從而大大降低了由該點(diǎn)位環(huán)境干擾造成的溫度誤差，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

2 理論分析與差分校正算法

2.1 差分測(cè)溫函數(shù)

在差分校正的FBG測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，需要將光纖A和光纖B對(duì)應(yīng)的測(cè)溫偏移函數(shù)解出，再完成數(shù)據(jù)差分運(yùn)算，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)已有溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。根據(jù)波導(dǎo)理論[12]可知，回波中心波長λ有

λ=2nΛ(d).

(1)

其中，n為傳輸光纖的折射率，Λ(d)為光纖探頭中的光柵間隔，則有

(2)

滿足以上函數(shù)關(guān)系的光波進(jìn)入光纖耦合器的回路中，從而進(jìn)入解調(diào)儀。當(dāng)對(duì)應(yīng)位置d改變時(shí)，回波中心波長也會(huì)隨之改變，有

(3)

在某個(gè)點(diǎn)位上，當(dāng)該位置環(huán)境中存在外力作用或其它干擾因素導(dǎo)致的光纖探頭微形變?yōu)棣?，回波中心波長的改變?yōu)?/p>

(4)

式中 3個(gè)主要項(xiàng)分別反映了光纖熱膨脹系數(shù)、光纖熱光系數(shù)以及光纖彈光系數(shù)。

由此，回波波長偏移量可表示為

(5)

將上式中的高次項(xiàng)省略并代入式(4)化簡(jiǎn)，再代入式(5)，可得2組光纖的回波中心波長偏移為

(6)

式中KTA,KTB分別表示光纖A和的光纖B的光纖光柵溫度響應(yīng)系數(shù)，ΔT為溫度變化值，則差分校正值可表示為

(7)

由上式可知，某點(diǎn)位的溫度改變值可以通過差分校正量與溫度響應(yīng)系數(shù)所表示，所以，當(dāng)某點(diǎn)位上發(fā)生外力作用等環(huán)境變化導(dǎo)致的回波中心波長偏差時(shí)，可以通過雙回波波長差分的方法進(jìn)行校正，有效提高了系統(tǒng)測(cè)溫穩(wěn)定性和抗干擾能力。

2.2 差分校正算法

為了完成對(duì)某點(diǎn)位由于環(huán)境變化造成的溫度測(cè)試數(shù)據(jù)偏差的校正，需要設(shè)計(jì)適合的差分校正算法。在上一節(jié)中已經(jīng)得出了基于雙光纖探頭的溫度偏移量計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)差分校正算法步驟如下：

1)將2組光纖探頭回波數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)，通過解調(diào)儀完成回波光中心波長λA和λB的求解，以此類推，將系統(tǒng)中所有點(diǎn)位的中心波長值全部記錄,則有數(shù)據(jù)組[λ1A，λ2A，…,λnA]和[λ1B,λ2B，…,λnB]；

2)完成回波中心波長偏移量計(jì)算，得到所有點(diǎn)位上的偏移量值有[Δλ1A,Δλ2A，…,ΔλnA]和[Δλ1B,Δλ2B，…,ΔλnB]；

3)由于各點(diǎn)位間環(huán)境影響，探測(cè)條件各不相同，所以，各點(diǎn)位的校正系數(shù)也各不相同，但對(duì)于任意i點(diǎn)位而言，其λiA與λiB的比例關(guān)系基本一致，將所有點(diǎn)位上的該系數(shù)比值的算術(shù)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，完成對(duì)各個(gè)點(diǎn)位的溫度校正；

4)將以上校正數(shù)據(jù)代入溫度測(cè)試數(shù)據(jù)中，從而構(gòu)成被測(cè)點(diǎn)位的測(cè)試溫度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)在原有測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上抑制了由于環(huán)境變化造成的測(cè)量誤差。

3 實(shí) 驗(yàn)

通過與傳統(tǒng)獨(dú)立型FBG測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)比，分析差分校正型FBG測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)溫度檢測(cè)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)選用LPT系列的寬帶光源，實(shí)驗(yàn)光纖的工作波長為1.55μm，解調(diào)儀分析精度為1.0pm，通過溫度控制箱連續(xù)改變溫度，變化范圍為20～80 ℃。

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)解調(diào)儀輸出的回波光光譜分布函數(shù)如圖2所示，其中，圖2(a)表示光纖A的回波中心波長及其偏移效果，圖2(b)表示光纖B的回波中心波長及其偏移效果。

圖2 AB光纖組的回波光光譜分布圖

光譜分布數(shù)據(jù)如圖2所示，可以看出：2組回波數(shù)據(jù)的光譜分布形態(tài)基本一致。但光纖A和光纖B檢測(cè)得到的中心波長不一致，分別是1 529.352，1 530.237nm。雖然同為一個(gè)點(diǎn)位，但由于光柵間隔的不同，所以，具有不同的測(cè)試效果，由于環(huán)境的影響一致，故其光譜測(cè)試偏移量的程度是一致的。所以，根據(jù)差分校正算法可以獲取該點(diǎn)位上的測(cè)度測(cè)試偏移誤差量，從而作為修正測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)的參考數(shù)據(jù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將傳統(tǒng)的FBG測(cè)溫系統(tǒng)與差分校正型FBG測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)同一個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。溫度箱的最小溫度調(diào)節(jié)為1.0 ℃，實(shí)驗(yàn)選取的調(diào)節(jié)范圍為20～80 ℃，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表

Tab 1 Comparison table of temperature detection data

溫度(℃)傳統(tǒng)測(cè)溫系統(tǒng)λ(nm)T(℃)λA(nm) 差分校正型測(cè)溫系統(tǒng)λB(nm)ΔλAB(nm)T(℃)201529.74619.81529.3471530.2280.88119.9211529.78820.61529.3851530.2790.89421.1221529.83222.31529.4221530.3080.88621.9231529.86723.41529.4671530.3500.88323.0241529.91323.51529.5111530.3960.88524.1251529.95125.31529.5541530.4370.88325.2301530.17729.41529.8031530.6540.85130.1401530.59841.01530.1591531.0210.86240.2501530.97850.31530.5411531.3870.84649.7601531.39459.41531.0131531.9020.88960.3701531.75570.81531.4011532.2750.87469.4801532.05781.21531.8941532.6330.74180.7

由表1的溫度測(cè)試數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)的FBG測(cè)溫系統(tǒng)和差分校正型FBG測(cè)溫系統(tǒng)均通過波長偏移量完成目標(biāo)位置溫度的檢測(cè)。通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，回波中心波長產(chǎn)生的偏移量和溫度之間大致每1.0 ℃的溫度變化產(chǎn)生35～45 pm的偏移。傳統(tǒng)型測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值接近，平均誤差為1.87 %，而采用差分校正數(shù)據(jù)處理的溫度測(cè)試平均誤差為0.47 %。說明采用差分校正方法后對(duì)溫度檢測(cè)準(zhǔn)確性有一定的提高。同時(shí)，在某些局部存在不均衡外力作用時(shí)，差分校正型FBG測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仍能較好地保持測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性及其優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

為了克服傳統(tǒng)測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力弱的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了差分校正的FBG測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過2組光纖探頭將干擾項(xiàng)消除掉，從而達(dá)到克服環(huán)境等外部因素影響溫度檢測(cè)的目的。實(shí)驗(yàn)采用溫度控制箱將溫度每1.0 ℃改變，從20～80.0 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:回波中心波長產(chǎn)生的偏移量和溫度之間大致每1.0 ℃的溫度變化產(chǎn)生35～45pm的偏移。差分校正型測(cè)溫系統(tǒng)的溫度檢測(cè)誤差明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法，且該方法受局部環(huán)境影響小，具有更高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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徐子琦，通訊作者，E—mail：xuziqinuc@163.com。

Design of temperature measurement network system by FBG based on differential correction*

KAN Xiao-ting, XU Zi-qi, LIU Zhi-chao

(College of Optical and Electronical Information,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130000,China)

In order to achieve real-time temperature monitoring function in a wide range measured area,fiber Bragg grating(FBG)temperature measurement network is selected.Meanwhile,in order to improve precision of temperature measurement and anti-jamming capability,FBG temperature measurement network system based on differential correction is designed.Based on original structure of the test system,correction fiber-optic probe is added,so that the temperature error from individual environmental change can be corrected for any position.Through theoretical analysis,the expression of difference correction values is given, and the differential correction algorithm is designed.Temperature control box is used in experiments, so that the temperature of measured region can be changed from 20～80 ℃,and its the minimum value of temperature change is 1.0 ℃.Experimental results show that approximately every 1.0 ℃ temperature change generate 35～45 pm offset between offset values generated by echo center wavelengths and temperature.In the differential correction type temperature measurement system,temperature measurement error is 0.47 %,prior to traditional measurement system. It is little affected by the local environment in the differential correction type temperature measurement system,so it has high system stability.

fiber Bragg grating(FBG); temperature measurement network; differential correction; wavelength shift value

2015—06—01

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究規(guī)劃項(xiàng)目(吉教科[2014]B060); 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60637010)

10.13873/J.1000—9787(2015)09—0069—03

TP 274

A

1000—9787(2015)09—0069—03

闞曉婷(1982-)，女，吉林省延吉人，講師，主要研究方向?yàn)楣鈱W(xué)加工、光電檢測(cè)技術(shù)等。