于麗霞，秦 麗

1. 中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)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 3. 中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051

改進(jìn)型光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)研究

于麗霞1,2，秦 麗1,3*

1. 中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)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 3. 中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051

傳統(tǒng)的光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)適用于大范圍、多點(diǎn)位的實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)領(lǐng)域，但其溫度響應(yīng)穩(wěn)定性差，布拉格光柵中心波長(zhǎng)偏移量隨溫度變化量的線性度差。為提高系統(tǒng)溫度檢測(cè)穩(wěn)定性及其檢測(cè)精度，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙光纖并行采集同點(diǎn)位溫度并進(jìn)行差分處理的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)溫過(guò)程中隨機(jī)誤差的實(shí)時(shí)有效消除，進(jìn)而達(dá)到提高測(cè)溫穩(wěn)定性及檢測(cè)精度的目的。計(jì)算推導(dǎo)了該模式下光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)偏移量關(guān)于溫度變化量的函數(shù)關(guān)系，給出了新式光纖光柵探頭的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)將改進(jìn)型光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，改進(jìn)型系統(tǒng)的溫度測(cè)量精度可達(dá)0.5 ℃，相比傳統(tǒng)系統(tǒng)得到了提升，同時(shí)，其測(cè)溫誤差也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，說(shuō)明采用該設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)測(cè)溫的穩(wěn)定性。

光纖布拉格光柵；溫度探測(cè)；測(cè)溫穩(wěn)定性；差分算法

引 言

溫度檢測(cè)已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，基于不同探測(cè)原理的成熟產(chǎn)品也層出不窮，而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，溫度檢測(cè)的要求也日新月異[1-2]。在精密部件合成、高效炸藥熔鑄、有機(jī)化學(xué)反應(yīng)控制等過(guò)程中，對(duì)于連續(xù)多點(diǎn)位、實(shí)時(shí)高精度溫度檢測(cè)與控制具有重要意義，從而掀起了高精度、高穩(wěn)定性、多點(diǎn)式測(cè)溫系統(tǒng)的研究熱潮。

目前，常見(jiàn)的測(cè)溫技術(shù)主要有：數(shù)字測(cè)溫儀、熱電偶測(cè)溫計(jì)、熱電阻測(cè)溫器、壓力型測(cè)溫儀、光纖測(cè)溫系統(tǒng)以及光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)[3-9]。數(shù)字測(cè)溫儀具有體積小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，但其成本高、易受電磁干擾影響，并且不適用于液體環(huán)境的溫度測(cè)試；熱電偶測(cè)溫計(jì)成本低、響應(yīng)快、測(cè)溫范圍大，但其精度低、受電磁干擾影響且易老化；熱電阻測(cè)溫器精度高、穩(wěn)定性好，響應(yīng)快，但其熱慣性大，抗振能力差；壓力型測(cè)溫儀體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)，但其響應(yīng)慢、受外力影響明顯；光纖測(cè)溫系統(tǒng)精度高、穩(wěn)定性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、但其成本高且制作工藝復(fù)雜；光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)成本低、抗電磁干擾能力強(qiáng)、易于制作，而精度中等，穩(wěn)定性較差。

綜上所述，從測(cè)量精度及適用范圍來(lái)看，光纖布拉格測(cè)溫系統(tǒng)基本具備以上要求，但需要進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，使其克服溫度響應(yīng)穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，從而使波長(zhǎng)偏移量與溫度變化量之間的函數(shù)關(guān)系更穩(wěn)定，也進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度[10-11]。本文的主要研究?jī)?nèi)容是對(duì)現(xiàn)有的光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)提高測(cè)溫精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低非線性誤差的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，光源發(fā)出寬帶光信號(hào)，通過(guò)耦合器與解調(diào)儀的輸入端相連，信號(hào)光通過(guò)光纖進(jìn)入被測(cè)區(qū)域，均勻地排布在被測(cè)區(qū)域。每隔一段距離放置一個(gè)光纖布拉格光柵傳感探頭(圖中的FBG)，每個(gè)FBG探頭位置可以返回一個(gè)中心波長(zhǎng)為λB的回波信息，由于該布拉格光柵回波對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)偏移量與其對(duì)應(yīng)位置上的溫度成線性函數(shù)關(guān)系，故系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)被測(cè)區(qū)域的溫度分布。從而實(shí)現(xiàn)大范圍、實(shí)時(shí)地溫度檢測(cè)。雖然其制作成本低、抗電磁干擾能力強(qiáng)，但由于FBG探頭的溫度響應(yīng)穩(wěn)定性較差且精度一般，限制了其在一些精密溫度監(jiān)控中的應(yīng)用，因此，提高FBG系統(tǒng)溫度響應(yīng)穩(wěn)定性及探測(cè)精度成為其主要的發(fā)展方向。

Fig.1 Principle of detection system for thermometry by FBG

1.2 系統(tǒng)優(yōu)化方案

改進(jìn)型光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的是：系統(tǒng)首先通過(guò)光源發(fā)出寬帶光信號(hào)，通過(guò)光纖分路器(fiber optic splitter，F(xiàn)OS)將光波信號(hào)均勻地分配至光纖1(Fiber 1)和光纖2(Fiber 2)。光纖1與光纖2分別通過(guò)耦合器與解調(diào)儀的兩個(gè)輸入端相連，最后將兩根光纖并列引入被測(cè)區(qū)域(注意：此處兩根光纖僅是并列在一起，并非耦合成一根光纖)。在光纖1上的FBG1探頭采用Λ1(光柵周期)，其對(duì)應(yīng)回波的中心波長(zhǎng)為λB1；而在光纖2上的FBG2探頭采用Λ2(光柵周期)，其對(duì)應(yīng)回波的中心波長(zhǎng)為λB2。故解調(diào)儀得到的兩組信號(hào)分別是不同光柵周期參數(shù)的關(guān)于時(shí)變溫度的中心波長(zhǎng)偏移函數(shù)表達(dá)式。雖然FBG1與FBG2的探測(cè)位置相同，但是由于光柵周期不同(光刻加工使其具有不同光柵所引入的Λ變量)，故該兩組布拉格光柵中心波長(zhǎng)是不同的?？此撇煌牟ㄩL(zhǎng)偏移效果，卻是由相同光譜光源以及相同溫度場(chǎng)變化而形成的，其不同之處僅在于光柵周期，故可通過(guò)該兩組回波中心波長(zhǎng)偏移量函數(shù)的差分處理精確地反演被測(cè)位置上的溫度變化。即將本來(lái)直接測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)兩組溫度偏移量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了差分求解，可有效提高數(shù)據(jù)檢測(cè)的穩(wěn)定性。

Fig.2 Principle of detection system improved for thermometry by FBG

2 理論推導(dǎo)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)溫函數(shù)

在改進(jìn)型光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)光纖1與光纖2的溫度偏移量函數(shù)，并對(duì)其回波數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，從而實(shí)現(xiàn)提高溫度檢測(cè)穩(wěn)定性的目的。根據(jù)光纖波導(dǎo)耦合理論[12]光纖光柵布拉格光柵可以產(chǎn)生回波的中心波長(zhǎng)λB表達(dá)式表示為

λB=2nΛ(x)

(1)

其中，n為光纖折射率，Λ(x)為光柵周期。由此可得光纖1與光纖2分別有

(2)

由式(2)可知，符合式(2)的光波將被光纖布拉格光柵發(fā)射，從而進(jìn)入解調(diào)器中，回波光的中心波長(zhǎng)是關(guān)于對(duì)應(yīng)位置上光纖折射率與光柵周期的函數(shù)。在此基礎(chǔ)上可知，當(dāng)x位置處發(fā)生溫度變化時(shí)，其中心波長(zhǎng)的函數(shù)表達(dá)式有

(3)

設(shè)溫度為T(mén)，應(yīng)力形變?yōu)棣?/p>

(4)

再對(duì)式(3)進(jìn)行微分運(yùn)算

ΔλB=2Λ(x)Δn+2nΔ(Λ(x))

(5)

實(shí)際上，中心波長(zhǎng)的偏移量主要由光纖熱膨脹系數(shù)、光纖熱光系數(shù)以及彈光系數(shù)共同決定。對(duì)式(5)進(jìn)行泰勒展開(kāi)并忽略其高次項(xiàng)，然后，將式(4)中的物理量代入，再結(jié)合實(shí)際測(cè)試條件即可得的中心波長(zhǎng)偏移量

式中，y、a、b和x分別代表變量的回歸結(jié)果，時(shí)間趨勢(shì)、截距以及年份。通常地，當(dāng)a>0時(shí)，表明變量y呈增加的趨勢(shì)，反之則呈減少的趨勢(shì)。

ΔλB=KTΔT

(6)

其中，KT為光纖布拉格光柵溫度響應(yīng)系數(shù)，ΔT為溫度變化量。

由此可得光纖1與光纖2波長(zhǎng)偏移量分別為

(7)

其中，KT1為光纖1的布拉格光柵溫度響應(yīng)系數(shù)，KT2為光纖2的布拉格光柵溫度響應(yīng)系數(shù)，ΔT為溫度變化量。通過(guò)差分處理可得溫度變化量為

(8)

至此被測(cè)位置上產(chǎn)生的溫度變化量被兩組光纖對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)偏移量之差與其光柵溫度響應(yīng)系數(shù)之差所表示，理論上，在傳統(tǒng)測(cè)量過(guò)程中單個(gè)光纖引入的隨機(jī)誤差經(jīng)差分處理已消除。由于系統(tǒng)中心波長(zhǎng)偏移量與溫度變化量之間的函數(shù)關(guān)系穩(wěn)定性得到大幅提升，故進(jìn)一步細(xì)化溫度變化量值仍能得到可分辨的中心波長(zhǎng)偏移量，所以間接地提高了系統(tǒng)的溫度檢測(cè)精度。

2.2 探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3(a)所示FBG探頭中光纖1與光纖2并行排列，整體被鋼管包覆，可以起到保護(hù)光柵不受外力作用的效果，其中內(nèi)部填充熱良導(dǎo)體使外部溫度快速傳導(dǎo)至光纖布拉格光柵，最后采用粘膠劑封口與外部的傳輸光纜相連接。由圖3(b)所示，兩個(gè)光纖固定于三根導(dǎo)熱鋼條中，位于整個(gè)FBG探頭中心位置。此設(shè)計(jì)既保證了探頭位置可承受一定的壓力作用，而由此避免了壓力使光柵形變所產(chǎn)生的中心波長(zhǎng)偏移，同時(shí)熱良導(dǎo)體充分保證了溫度的同步改變。

Fig.3 Structure diagram of FBG Probes

3 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)與改進(jìn)型光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)溫結(jié)果，驗(yàn)證系統(tǒng)改進(jìn)后的優(yōu)勢(shì)。兩套檢測(cè)系統(tǒng)的探頭部分均分別在被測(cè)區(qū)域中相同的位置，系統(tǒng)均采用LPT-101型寬帶光源，傳輸光纖的中心工作波長(zhǎng)為1 550 nm，解調(diào)儀波長(zhǎng)檢測(cè)精度優(yōu)于2 pm，溫度測(cè)試范圍從10.0°～60.0°(由溫控箱提供)。

3.2 中心波長(zhǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)

系統(tǒng)搭建完畢后，通過(guò)電腦將解調(diào)后的回波光光譜信息顯示如圖4所示，圖4(a)和圖4(b)分別是光纖1與光纖2的光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)光譜分布圖。

Fig.4 Test data graph of center wavelength by FBG

如圖4所示，兩組光譜的中心波長(zhǎng)位置并不相同，如第一個(gè)回波中心波長(zhǎng)光纖1為1 529.334 nm，光纖2為1 530.216 nm，但光譜分布結(jié)構(gòu)幾乎一致。從光譜分布圖中可以看出，由于兩組光纖采用了不同的光柵周期，進(jìn)而使其中心波長(zhǎng)有所差異，但由于其都是對(duì)同一光譜同一位置完成的測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，故具有等變化比例的特性。將兩組數(shù)據(jù)代入式(8)進(jìn)行差分處理最終求解被測(cè)位置的溫度變化量。

4 結(jié)果與討論

將傳統(tǒng)FBG溫度檢測(cè)系統(tǒng)與改進(jìn)FBG溫度檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)同一位置進(jìn)行溫度測(cè)試，溫度每0.5 ℃改變一次，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

Table 1 Comparison of temperature test data and FBG center wavelengths

從表1中的FBG中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)論是傳統(tǒng)還是改進(jìn)型的FBG溫度檢測(cè)系統(tǒng)，F(xiàn)BG中心波長(zhǎng)的偏移量隨溫度變化量基本滿(mǎn)足每1 ℃產(chǎn)生0.04 nm偏移的規(guī)律，并且由于非線性誤差及溫度響應(yīng)的不穩(wěn)定性，當(dāng)每改變0.5 ℃溫度時(shí)，波長(zhǎng)偏移量的變化不再符合線性變化規(guī)律。由此可知，對(duì)于傳統(tǒng)FBG溫度檢測(cè)系統(tǒng)其溫度精度為1 ℃，而由于改進(jìn)型FBG溫度檢測(cè)系統(tǒng)采用差分處理算法，采用Δλ補(bǔ)償量求解溫度值，所以即使當(dāng)溫度改變0.5 ℃也可以有效地檢出，提高了原有系統(tǒng)的精度。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算測(cè)試溫度值與標(biāo)準(zhǔn)溫度之間的誤差可知，改進(jìn)型FBG溫度檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)平均誤差明顯低于傳統(tǒng)FBG溫度檢測(cè)系統(tǒng)，證明其溫度響應(yīng)穩(wěn)定性得到了提高。

5 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)溫穩(wěn)定性差，布拉格光柵中心波長(zhǎng)偏移量隨溫度變化量的線性度差等問(wèn)題，提出了基于雙光纖差分處理的改進(jìn)型測(cè)溫系統(tǒng)。經(jīng)理論推導(dǎo)分析了設(shè)計(jì)的可行性，并給出了其函數(shù)關(guān)系表達(dá)式，同時(shí)給出了FBG探頭的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)在10.0～60.0 ℃范圍內(nèi)每改變0.5 ℃進(jìn)行一次溫度測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，改進(jìn)型FBG系統(tǒng)溫度檢測(cè)限達(dá)0.5 ℃，相比傳統(tǒng)FBG系統(tǒng)得到了提升，同時(shí)，其測(cè)溫穩(wěn)定性高，誤差小，符合設(shè)計(jì)要求。

[1] HOU Li-qun, ZHAO Xue-feng, LENG Zhi-peng(侯立群, 趙雪峰, 冷志鵬). Chinese Journal of Sensors and Actuators(傳感技術(shù)學(xué)報(bào)), 2014, 1: 74.

[2] LIU Fen, WU Bao-jian, CHENG Li-wei(劉 芬, 武保劍, 程立偉). Laser & Optoelectronics Progress(激光與光電子學(xué)進(jìn)展)，2010, 2: 72.

[3] Lee B. Optical Fiber Technology，2003, 9(2): 57.

[4] Iodice M, Striano V, Cappuccino G. IEEE Xplore Restrictions Apply，2010, 3: 1.

[5] Chong S S, Chong W Y. Optics & Laser Technology，2012, 44：821.

[6] LIU Zhi-chao, YANG Jin-hua, WANG Gao(劉智超, 楊進(jìn)華, 王 高). Spectroscopy and Spectral Analysis(光譜學(xué)與光譜分析), 2014, 34(7): 67.

[7] WANG Wen-zhen, LIU Yue-ming(王雯珍, 劉月明). Electro-Optic Technology Application(光電技術(shù)應(yīng)用), 2014, 2: 55.

[8] LIU Xiang, LI Qiang-hua, ZHANG Yan-yu(柳 翔, 勵(lì)強(qiáng)華, 張巖宇). Optical Technique(光學(xué)技術(shù)), 2014, 2: 62.

[9] Kenneth O Hill, Gerald Meltz. Journal of Lightwave Technology, 1997，15(8)：1263.

[10] YUAN Zi-lin, GONG Yuan, MA Yao-yuan(袁子琳, 龔 元, 馬耀遠(yuǎn)). Acta Photonica Sinica(光子學(xué)報(bào)). 2012, 10: 1.

[11] LI Xiao-lu, JIANG Yue-song(李小路, 江月松). Science in China·Series E: Information Sciences(中國(guó)科學(xué)E輯: 技術(shù)科學(xué))，2006, 11: 105.

[12] ZHAO Hong-xia, CHENG Pei-hong, BAO Ji-long(趙洪霞, 程培紅, 鮑吉龍). Journal of Optoelectronics·Laser(光電子·激光), 2014, 6: 41.

*Corresponding author

Research on Temperature Detection System Based on Improved Fiber Bragg Grating

YU Li-xia1，2, QIN Li1, 3*

1. Key Lab of Electronic Test & Measurement Technique，North University of China, Taiyuan 030051, China

2. School of Information and Communication on Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China

3. School of Instrument and Electronics，North University of China, Taiyuan 030051, China

Traditional temperature detection system based on Fiber Bragg Grating is suitable for large-scale, real-time multi-point temperature detection field. But its stability of temperature response is poor, shift amount of Bragg grating center wavelength is poor linearity with temperature variation. In order to improve the stability for system and temperature detection accuracy of the system, an improved temperature detection system based on Fiber Bragg Grating was designed. The method of dual fiber parallel acquisition for temperature data was used on the same point, and then center wavelength data was differentially processed. It was realized that the random errors of the system were effectively real-time eliminated in the process temperature. The function relationships of center wavelength shift amount of Fiber Bragg Grating and temperature variation was derived in this mode, and the new structure of the probes for Fiber Bragg Grating was designed. In the experiments，measurement data of Improved temperature detection system based on Fiber Bragg Grating was compared with the data of traditional system. Experimental results show that temperature measurement accuracy of improved system was up to 0.5 ℃, and its accuracy has been improved compared to conventional systems. Meanwhile, the measurement error was significantly better than traditional systems. It proved that the design can improve the stability of temperature detection for the system.

Fiber bragg grating (FBG); Temperature detection; Temperature stability; Difference algorithm

Nov. 17, 2014; accepted Mar. 12, 2015)

2014-11-17，

2015-03-12

山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014011021-5)，電子測(cè)試技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(9140C12040J15X)資助

于麗霞，女，1982年生，中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室講師 e-mail：yulixianuc@163.com *通訊聯(lián)系人

TP274

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0283-04