劉智超，楊進華，張 劉, 王 高

1. 長春理工大學光電工程學院，吉林 長春 130000

2. 吉林大學儀器科學與電器工程學院，吉林 長春 130000

3. 中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051

基于啁啾光纖光柵的糧倉測溫網(wǎng)絡研究

劉智超1，楊進華1，張 劉2*, 王 高3

1. 長春理工大學光電工程學院，吉林 長春 130000

2. 吉林大學儀器科學與電器工程學院，吉林 長春 130000

3. 中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051

為了解決傳統(tǒng)光纖光柵測溫系統(tǒng)中單根光纖上帶光纖光柵探頭數(shù)量少、回波光強弱以及復用能力差的問題，設計研究了基于啁啾光纖光柵的測溫系統(tǒng)。通過啁啾調(diào)制技術(shù)提高了回波光的帶寬，從而增強了信號的可處理性并大大提高了帶探測點位的數(shù)量。推導了啁啾調(diào)制的光柵周期表達式，給出了調(diào)制方法及波長范圍。實驗采用LPT-102型寬帶光源與F-P光纖解調(diào)儀等，調(diào)制帶寬為1 535.0～1 555.0 nm，并結(jié)合WR-201型溫度傳感器作標定。對20～60 ℃范圍內(nèi)每1 ℃改變進行測試，實驗結(jié)果顯示，傳統(tǒng)光纖光柵探頭與啁啾光纖光柵探頭的測試溫度誤差相近，都符合設計要求。相比而言，啁啾FBG的測試數(shù)據(jù)對應的波長偏移具有較為明顯的單調(diào)線性的特征，即數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更高，同時，采用啁啾FBG的系統(tǒng)帶光纖光柵探頭數(shù)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)光纖光柵測溫系統(tǒng)。由此可知，本系統(tǒng)在不增加光纖個數(shù)及不降低溫度測試精度的基礎上，實現(xiàn)了大幅提高帶探測點位數(shù)量的設計要求。

啁啾光纖光柵；測溫網(wǎng)絡；波分復用技術(shù)；探測點數(shù)

引 言

在大型糧倉中對溫度的實時監(jiān)測具有重要意義，因為有效地溫度監(jiān)測可以保證在合理的時間給糧食通風降溫，達到防止糧食霉變的效果[1]。故用于大范圍溫度檢測的測溫網(wǎng)絡被廣泛研究，溫度測試傳感器種類繁多，基于不同的工作原理主要可以分為：煤油溫度計、應變式溫度傳感器、熱電阻型溫度傳感器、熱電偶型溫度傳感器、數(shù)字溫度探測器以及光纖光柵溫度傳感器(FBG)等[2-6]。各種探測方法各有特點，煤油溫度計簡單、便宜，但易碎，不能數(shù)字化控制；應變式溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、具有較強的抗干擾能力，但其速度慢、應力干擾顯著；熱電阻型溫度傳感器測量精度高、速度快，但熱慣性較大，抗震動能力弱；熱電偶型溫度傳感器價格低、具有一定的抗震能力，但其精度低、測量范圍小。數(shù)字溫度探測器靈敏度高、抗干擾能力強，但信號傳輸能力弱，一般用于短程溫度數(shù)據(jù)采集；光纖光柵溫度傳感器由于其精度高、抗電磁干擾、尺寸小等優(yōu)點被廣泛地應用于大范圍溫度監(jiān)測等領域，但其也存在一定的不足，傳統(tǒng)的光纖光柵探測器要想提高測試范圍(或者增大單光纖上測試點個數(shù))，就需要增大帶寬，但為了提高精度需要壓窄反射線寬，從而使其應用受到一定的限制。

本文針對傳統(tǒng)的基于光纖布拉格光柵的測溫系統(tǒng)進行改進，采用啁啾調(diào)制[7-8]的方法提高了回波光帶寬，從而大幅增加了帶探測點位的能力。與此同時，通過波分復用技術(shù)(WDM)[9-10]完成了對回波光波長偏移量強度調(diào)制識別的功能，從而保證了系統(tǒng)溫度測試的精度。

1 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

傳統(tǒng)光纖光柵測溫系統(tǒng)如圖1所示，采用耦合器將光纖分為兩部分，一部分光纖引入到糧倉完成溫度檢測，另一部分將FBG探頭的回波光信號傳回光纖解調(diào)儀，從而通過回波光中心波長偏移量反演被測位置的溫度值。由于傳統(tǒng)的FBG探頭結(jié)構(gòu)為均勻光柵，故其反射回波的中心波長固定，雖然較窄的線寬提高了溫度檢測精度，但由于窄帶寬限制了單根光纖上FBG探頭的數(shù)量，降低了大范圍多點位溫度測試的實用性。

圖1 傳統(tǒng)光纖布拉格光柵測溫網(wǎng)絡示意圖

2 改進方法及理論依據(jù)

為了能在單根光纖上加載足夠數(shù)量的FBG探頭，保證一套檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)大區(qū)域范圍的多點溫度實時監(jiān)測，引入了啁啾光纖光柵的設計(圖1中FBG采用chirped FBG代替)，從而大幅提高了光纖回波的帶寬。在提高回波帶寬的基礎上，再通過波分復用技術(shù)(圖1中加入的虛線框部分)克服由于帶寬增大引入的中心波長偏移誤差，從而保證溫度檢測的準確度。

2.1 啁啾調(diào)制

對于傳統(tǒng)FBG探頭而言，由于光纖光柵的存在使纖芯中光柵波導模對應的折射率產(chǎn)生改變，其折射率表達式為

(1)

式中，δnoff為折射率的調(diào)制能力，ν為條紋可見度，Λ(z)為光柵周期，φ(z)為啁啾函數(shù)，傳統(tǒng)光纖光柵φ(z)=0。

當采用啁啾調(diào)制(chirped modulation)時，光柵周期Λ(z)發(fā)生改變，有

(2)

式中F為啁啾系數(shù)，L為光柵尺寸，z為光柵對應的位置，且0

圖2 啁啾光纖光柵結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 WDM技術(shù)

通過啁啾調(diào)制可以使回波光信號的帶寬明顯增大，從而提高了單光纖上的帶FBG探頭的能力，但由于采用了大帶寬回波的設計，使得通過波長偏移反演溫度的方法受到了一定限制，回波光各波長偏移量影響了溫度檢測的精度。本系統(tǒng)采用WDM技術(shù)[11]，對光強進行調(diào)制，從而產(chǎn)生線性變化的光強信號，再通過解調(diào)儀完成對同相位點(同光強點)波長值的提取，使針對任意被測波長位置的光強檢測僅受溫度引起的波長偏移的作用，即同相位點(同光強值點)的波長偏移量唯一的描述被測區(qū)域溫度變化所產(chǎn)生的波長偏移。由此可見，在大帶寬中引入WDM技術(shù)可以有效解決溫度測量精度受帶寬增大影響的問題。

設啁啾調(diào)制帶寬為B，WDM調(diào)制光強的調(diào)制函數(shù)為P(t)，回波中心波長為[λ1，λN]，溫度ti產(chǎn)生的波長偏移量Δλi，若第k個波長改變量為R[FBGk]，則有

(3)

當在帶寬內(nèi)的調(diào)制光強采用線性單調(diào)遞增時，選擇合適的波長滿足

(4)

由此可知，當滿足(4)式時，各波長不發(fā)生混迭，波長偏移量可被唯一的求解。本系統(tǒng)采用線性變化光強，使對應光強點僅受被測位置溫度變化的影響，從而通過波長偏移量反演溫度變化值。

3 實驗部分

3.1 條件

實驗采用ZHYQ公司的WR-201型高精度溫度傳感器作為標準溫度數(shù)據(jù)，測溫范圍0～1 300 ℃，100 ℃以內(nèi)精度優(yōu)于±0.3 ℃，符合實驗溫度測試范圍及精度的要求。光纖光柵探頭分布于模擬實驗箱中，局部點位采用加熱棒升溫。FBG探頭采用啁啾光纖光柵結(jié)構(gòu)，線性啁啾光柵尺寸為10.0 cm，中心波長1 544.6 nm，光纖光柵對應的啁啾系數(shù)是0.110 nm·cm-1，光纖折射率為1.467 5，折射率調(diào)制度為1.57×10-4。光源采用由LPT-102型寬帶光源，調(diào)制帶寬為1 535.0～1 555.0 nm，解調(diào)儀采用MOI公司的F-P光纖解調(diào)儀。

3.2 結(jié)果

采用寬帶光源入射啁啾光纖光柵探頭后，由不同光柵柵距使不同波長的回波光被反射至解調(diào)儀，再經(jīng)放大、濾波等得到其光譜分布數(shù)據(jù)，最終反演對應位置上的溫度值。由啁啾光纖光柵產(chǎn)生的回波光光譜分布如圖3所示，可以看出，其帶寬約為20.0 nm，相比均勻調(diào)制的光纖光柵具有明顯的可調(diào)工作范圍。

圖3 啁啾光纖光柵調(diào)制數(shù)據(jù)圖

在此基礎上，采用溫度調(diào)節(jié)箱對被測區(qū)域進行溫度調(diào)節(jié)，使其從20 ℃上升至60 ℃，最小變化量為1.0 ℃，被測點同時采用WR-201溫度傳感器和傳統(tǒng)FBG探頭與本系統(tǒng)進行測溫對比，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

由實驗數(shù)據(jù)可知，采用FBG探頭的溫度測量精度略高于傳統(tǒng)熱釋電傳感器，而均勻光纖光柵與啁啾光纖光柵的測試溫度誤差相近。兩種基于FBG的測溫系統(tǒng)溫度與回波中心波長的關系類似，每改變1 ℃大約產(chǎn)生0.04 nm的波長偏移。但從數(shù)據(jù)分布的情況分析可知，啁啾光纖光柵的測試數(shù)據(jù)對應的波長偏移具有較為明顯的單調(diào)線性的特征，這可以使數(shù)據(jù)處理及溫度標定的魯棒性得到提高。同時，在測溫性能接近的前提下，采用啁啾光纖光柵技術(shù)使系統(tǒng)帶探頭能力得到了大幅提升。在文獻[12]的實驗中，我們采用均勻光纖光柵探頭時，同根光纖中超過8個光纖光柵探頭時回波信號就會很弱，使溫度測試穩(wěn)定性受到較為明顯的影響，而采用啁啾光纖光柵技術(shù)后，由于帶寬增大，光通量大幅提高，使該改進系統(tǒng)在同根光纖中加40個光纖探頭仍能有效工作。

表1 不同測溫系統(tǒng)的溫度測試數(shù)據(jù)對比

4 結(jié) 論

設計了一種基于啁啾光纖光柵探頭的大范圍、多點位溫度傳感系統(tǒng)。給出了啁啾調(diào)制的函數(shù)關系及調(diào)制范圍，由此搭建了測試系統(tǒng)。通過實驗結(jié)果可知，該系統(tǒng)的測溫精度符合設計要求，其回波中心波長與溫度的變化相比均勻FBG線性化程度更高，具有較明顯的單調(diào)特征。本系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、抗電磁干擾能力強的優(yōu)點，同時，由于引入了啁啾調(diào)制技術(shù)，使單根光纖上能載入更多的光纖光柵測溫探頭，大幅提高了系統(tǒng)的整體測溫能力。

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(Received Aug. 3, 2015; accepted Dec. 21, 2015)

*Corresponding author

Granary Temperature Measurement Network Based on Chirped FBG

LIU Zhi-chao1, YANG Jin-hua1, ZHANG Liu2*，WANG Gao3

1. School of Optoelectronic Information, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130000, China

2. Jilin University, Instrumentation and Electrical Engineering, Changchun 130000, China

3. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China

In conventional optical fiber grating temperature measuring system, it can be loaded into a small number of fibers grating probe. At the same time, the intensity of back waves is relatively weak, and its multiplexing capability is poor. In order to solve these problems, temperature measurement system was designed based on chirped Fiber Bragg Grating. Its purpose is to obtain large-scale, multi-point temperature measurement data. The bandwidth of back waves was improved by chirp modulation techniques, so that available processing power of signal was increased, and the number of the chirped FBG probe in one fiber was greatly increased. Grating period expression was derived in chirp modulation, and modulation method and the wavelength range was provided. In the experiment, LPT-102 broadband light source and the FP optical fiber demodulator were used, and the modulation bandwidth of the system was from 1 535.0 to 1 555.0 nm. It used the WR-201 type temperature sensor as calibrated detector. Experimental results show that when the temperature changed by 1 ℃ from 20～60 ℃, the test temperature error would be closed with traditional Fiber Bragg Grating probe and chirped Fiber Bragg Grating probe, and they both meet the design requirements. In contrast, the wavelength shift data of chirped FBG was more monotone linear than the characteristic FBG, so its data was more stable. Meanwhile, in one fiber, the number of probes in the chirped FBG system was greatly more than the Uniform FBG system. In the original FBG system, without increasing the number of optical fiber or reduced the temperature measurement accuracy, design requirements for increase with the number of probe points in the system was achieved.

Chirped Fiber Bragg Grating; Temperature network; WDM technology; Probe points

2015-08-03，

2015-12-21

國家自然科學基金項目(60637010)，吉林省教育廳“十二五”科學技術(shù)研究規(guī)劃項目(吉教科[2014]B060)資助

劉智超，1984年生，長春理工大學光電工程學院講師 e-mail：s20070384@163.com *通訊聯(lián)系人

TN713

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)10-3377-04