劉 赟，徐子奇，王 波，劉智超,3

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電信息學(xué)院 光電工程分院，吉林 長(zhǎng)春 130000;2.長(zhǎng)春禹衡光學(xué)有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130000;3.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130000)

?

差分法在FBG測(cè)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用*

劉 赟1，徐子奇1，王 波2，劉智超1,3

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電信息學(xué)院 光電工程分院，吉林 長(zhǎng)春 130000;2.長(zhǎng)春禹衡光學(xué)有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130000;3.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130000)

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，將差分法應(yīng)用于光纖Bragg光柵(FBG)測(cè)溫系統(tǒng)中。給出了相應(yīng)的理論計(jì)算，列出了差分補(bǔ)償算法的步驟。實(shí)驗(yàn)針對(duì)25.0～75.0 ℃的溫度測(cè)試范圍進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示，回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)與溫差的變化關(guān)系基本符合：每1.0 ℃得到0.04 nm的偏移。采用差分型測(cè)溫系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差低于0.5 %，比單FBG的精度高4倍左右。具有更好的穩(wěn)定性與抗干擾能力。

光纖光柵； 溫度檢測(cè)； 差分法； 誤差

0 引 言

為了對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行有效的控制，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，在很多的生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用到溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量[1]。以前的大范圍的溫度檢測(cè)，大多采用多組單獨(dú)溫度測(cè)試模一起采集的方法[2]。這樣的方法由于需要在多個(gè)位置放置處理模塊，布線復(fù)雜，比較容易損壞，而且每個(gè)探測(cè)器都引入誤差，所以整體誤差較大[3]。

較傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)器件主要有：數(shù)字測(cè)溫器、壓力測(cè)溫儀、熱電偶測(cè)溫儀以及光纖布拉格光柵測(cè)溫系統(tǒng)[4]。數(shù)字測(cè)溫器的優(yōu)點(diǎn)是體積小、穩(wěn)定性高[5],缺點(diǎn)是抗干擾的能力弱、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力比較低；熱電偶測(cè)溫儀的優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)格便宜、處理速度快[6]，缺點(diǎn)是精度低、誤差比較大、會(huì)出現(xiàn)“中毒”的現(xiàn)象，壓力測(cè)溫器測(cè)試穩(wěn)定性較好，價(jià)錢(qián)也適中、但是它的反應(yīng)能力低，速度慢而且容易受到外力的影響改變溫度測(cè)試的數(shù)據(jù)[7]；光纖Bragg光柵(FBG)測(cè)溫系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)錢(qián)比較低、方便多點(diǎn)引入測(cè)量、其工藝也比較簡(jiǎn)單,但缺點(diǎn)是穩(wěn)定性低，整體比較容易受到干擾。

本文設(shè)計(jì)了在差分校正的基礎(chǔ)上的FBG測(cè)溫系統(tǒng)。對(duì)雙通道光纖測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的差分校正達(dá)到外界環(huán)境對(duì)光纖探測(cè)器整體的有效的校正。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)FBG系統(tǒng)經(jīng)過(guò)光源產(chǎn)生激光信號(hào)，回波光信號(hào)經(jīng)耦合器到解調(diào)器，然后解調(diào)器得到的信號(hào)在由計(jì)算機(jī)完成處理。最后，完成對(duì)待測(cè)區(qū)的溫度進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)楣饩€探測(cè)端的位置分布的都不一樣，環(huán)境的條件也不盡相同，所以每個(gè)探測(cè)端的受力情況、溫度的差別都不相同。所以在測(cè)試系統(tǒng)中的穩(wěn)定性比較低，特別是在不均勻的外力作用下所造成的每個(gè)點(diǎn)的位置的實(shí)際參數(shù)都不均勻，造成測(cè)試的溫度出現(xiàn)了誤差，因此提出差分校正的方法來(lái)處理這些問(wèn)題。先讓兩組光纖系統(tǒng)同步然后在進(jìn)行差分處理。這樣就約掉了兩組來(lái)自相同的干擾產(chǎn)生的誤差，圖1為系統(tǒng)的原理圖。

圖1 差分型光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of differential type optical grating temperature measurement system

經(jīng)過(guò)差分校正的FBG測(cè)溫系統(tǒng)在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入了校正測(cè)溫模塊。將光源和光纖分束器連接，光信號(hào)分為相等能量的兩個(gè)部分分別進(jìn)入到光纖1和光纖2。兩組光纖均與其相應(yīng)的光纖耦合器連接構(gòu)成了兩組探測(cè)光纖和回波光纖。每個(gè)輸入光纖都與其對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)儀的輸入端連接，最后將兩根光纖共同并列引入被測(cè)區(qū)域，完成對(duì)其相同點(diǎn)位的溫度測(cè)試。

因?yàn)楣饫w1的探測(cè)端的光柵間隔是D1，它的回波中心位置為 1，然后在光纖2的探測(cè)端的光柵間隔是D2，它的回波中心位置為 2。因?yàn)閮山M測(cè)試數(shù)據(jù)的光柵常數(shù)不一樣，所以它的波長(zhǎng)偏移量不一樣。但兩個(gè)測(cè)試位置是相同，所以，受到外力作用，溫度順便等干擾相同。不一樣的回波波長(zhǎng)的偏移量是因同樣光源產(chǎn)生的。在這個(gè)前提下，能夠?qū)山M回波數(shù)據(jù)實(shí)行差分校正補(bǔ)償。這樣就降低了因?yàn)檫@個(gè)點(diǎn)位的環(huán)境對(duì)溫度造成的誤差，系統(tǒng)的穩(wěn)定性被大幅提升。

2 溫度推導(dǎo)與差分補(bǔ)償

2.1 測(cè)溫方程

基于差分校正的FBG測(cè)溫系統(tǒng)，要求解光纖1和光纖2相應(yīng)的測(cè)溫函數(shù)。然后再對(duì)差分運(yùn)算。才可以完成對(duì)現(xiàn)有的溫度的數(shù)據(jù)實(shí)行校正，依照波導(dǎo)理論，回波中心波長(zhǎng)λ為

λ=2nΛ(d)

(1)

式中 n為光纖折射率，Λ(d)為光纖探測(cè)端里的光柵間隔。所以存在

(2)

符合上述函數(shù)關(guān)系的光波進(jìn)到光纖耦合器后，然后到解調(diào)儀。在相應(yīng)位置d改變的時(shí)候，回波中心波長(zhǎng)可以表示成

(3)

回波波長(zhǎng)偏移量的表達(dá)式為

(4)

式中 KT1，KT2分別為光纖1和的光纖2的溫度響應(yīng)系數(shù)，ΔT為溫度改變量。故差分校正量有

(5)

即任意一個(gè)點(diǎn)位的溫度的改變值能夠通過(guò)差分校正量和溫度響應(yīng)系數(shù)來(lái)表達(dá)，可以看出:在某點(diǎn)位上產(chǎn)生了外力的作用等一些環(huán)境變化造成的回波中心波長(zhǎng)偏差時(shí)，能夠通過(guò)雙回波波長(zhǎng)差分的方法進(jìn)行校正，提高了系統(tǒng)抗干擾能力及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.2 差分補(bǔ)償步驟

推導(dǎo)構(gòu)造的差分補(bǔ)償算法的步驟為：1)將兩組光纖探測(cè)端數(shù)據(jù)采集之后存儲(chǔ)，經(jīng)過(guò)解調(diào)儀計(jì)算求解回波光中心波長(zhǎng)λ1和λ2的具體數(shù)值，系統(tǒng)中全部點(diǎn)位的中心波長(zhǎng)值全都記錄所以數(shù)據(jù)組為[λ11，λ21，…，λn1]和[λ12，λ22，…，λn2]；2)計(jì)算回波中心波長(zhǎng)偏移量，全部點(diǎn)位上的偏移量值有[Δλ11，Δλ21，…，Δλn1]和[Δλ12，Δλ22，…，Δλn2]；3)因?yàn)楦鼽c(diǎn)位間的環(huán)境存在影響，探測(cè)的條件都不一樣，因此各每個(gè)點(diǎn)位的校正系數(shù)也是不一樣的，但是對(duì)于隨便一個(gè)點(diǎn)位K點(diǎn)位而言，這里，λK1與λK2的比例關(guān)系大致相同，將每個(gè)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，達(dá)成對(duì)每個(gè)點(diǎn)位的溫度的校正；4)將上述校正數(shù)據(jù)引入溫度數(shù)據(jù)中，可以構(gòu)成被測(cè)點(diǎn)位的溫度測(cè)試數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)基于測(cè)試數(shù)據(jù)抑制了因?yàn)榄h(huán)境變化造導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

3 溫度測(cè)試試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)跟傳統(tǒng)的獨(dú)立型FBG測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行比較，解析差分校正型光纖布拉格光柵測(cè)溫系統(tǒng)系統(tǒng)溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。系統(tǒng)選擇LPT系列的寬帶光源，實(shí)驗(yàn)光纖、的工作波長(zhǎng)為1.55μm，經(jīng)過(guò)溫度控制箱持續(xù)改變溫度，變化范圍：25.0～75.0 ℃。

3.1 檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)解調(diào)儀輸出的回波光對(duì)應(yīng)的光譜分布函數(shù)為圖2，其中為光纖1的回波中心波長(zhǎng)位置及偏移量，光纖2與光纖1相似，不再贅述。

圖2 光纖1的光譜數(shù)據(jù)Fig 2 Spectral data of the fiber 1

從圖2顯示的光譜分布數(shù)據(jù)能夠知道兩組回波數(shù)據(jù)的光譜分布形態(tài)大致相同。但是光纖1、光纖2通過(guò)檢測(cè)知道的的中心波長(zhǎng)不一樣，是1 529.298，1 530.176 nm。它們雖然是一個(gè)點(diǎn)位，但因?yàn)楣鈻砰g隔的不一樣，導(dǎo)致了測(cè)試效果的不同，但是因?yàn)榄h(huán)境的影響是一樣的，所以,它們的光譜測(cè)試偏移量的水平是相同的。故基于差分校正算法能夠獲取這個(gè)點(diǎn)位上的測(cè)度測(cè)試偏移誤差量，這樣就可以作為修正測(cè)溫系統(tǒng)的參考數(shù)據(jù)。

3.2 分析與討論

與單FBG探頭測(cè)溫系統(tǒng)相比，差分型FBG測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)試效果如表1所示。

表1 溫度測(cè)試數(shù)據(jù)列表

在上述的表格中的溫度測(cè)試數(shù)據(jù)可知：?jiǎn)蜦BG測(cè)溫系統(tǒng)和差型FBG測(cè)溫系統(tǒng)都是經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)偏移量達(dá)成指定位置溫度的監(jiān)控和測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)的比較分析，回波中心波長(zhǎng)形成的偏移量與溫度中大概每1.0 ℃的改變有0.04 nm左右。單FBG型測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)值差不多，平均的誤差約2.0 %，但是采用差分型FBG測(cè)溫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)誤差為0.5 %左右,即采用了差分型FBG系統(tǒng)提高了溫度檢測(cè)準(zhǔn)確性。與此同時(shí)，在一些部分有著不均衡外力作用時(shí)，差分型FBG測(cè)溫系統(tǒng)依然可以比較不錯(cuò)地保持測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，考證了系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和可行性。

4 結(jié) 論

對(duì)于抗干擾能力弱的傳統(tǒng)FBG測(cè)溫系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了在差分校正的基礎(chǔ)上的FBG測(cè)溫系統(tǒng)系統(tǒng)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)校正FBG探測(cè)端和傳統(tǒng)FBG的差分處理，將因?yàn)榫植凯h(huán)境所導(dǎo)致的誤差處理掉。實(shí)驗(yàn)測(cè)溫范圍25.0～75.0 ℃。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：回波中心波長(zhǎng)形成的偏移量與溫度之間大概每1.0 ℃的溫度改變形成0.04 nm左右的改變。差分校正型測(cè)溫系統(tǒng)的溫度檢測(cè)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的測(cè)溫系統(tǒng)，且方法的穩(wěn)定性更高，受到局部環(huán)境的干擾小。

[1] 劉智超，楊進(jìn)華，王 高.FBG測(cè)溫系統(tǒng)的光譜校正算法的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2014,34(7)：1793-1795.

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徐子奇，通訊作者，E—mail：xuziqinuc@163.com。

Application of difference method in FBG temperature measurement system*

LIU Yun1,XU Zi-qi1,WANG Bo2,LIU Zhi-chao1,3

(1.College of optical and Electronical Information,Changchun University of Science and Technology,Changchun,130000,China;2.Changchun Yuheng Optics Company,Changchun,130000,China;3.School of Optoelectronic Information,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130000,China)

In order to improve stability and anti-jamming capability of system,differential method is applied to FBG temperature measurement system.The corresponding theoretical calculation is given,list steps of differential compensation algorithm.Experimental test temperature range 25.0～75.0 ℃,the results show that the relationship between changes in echo signal corresponding to temperature difference between center wavelength of the fundamental accord that each 1.0 ℃ get 0.04 nm shift.System error of differential temperature measurement system type is less than 0.5 %,precision is about 4 times higher than single FBG.Thus,temperature measurement system based on differential has better stability and anti-jamming capability.

fiber grating;temperature detection;difference method;error

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0151—03

2015—11—30

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);吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究規(guī)劃項(xiàng)目([2015]580號(hào))

TP 274

A

1000—9787(2016)11—0151—03

劉 赟(1975-)，女，吉林省磐石人，碩士，副教授，主要從事儀器儀表、動(dòng)態(tài)測(cè)試等研究工作。