哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉 杰 程武林 譚婕妤 劉珈辰

1 引言

隨著城市電網(wǎng)中電力電纜的份額日益增大，大量的電力電纜敷設(shè)在距離較長且復(fù)雜的電纜溝和電纜井內(nèi)，并且長期運(yùn)行在高電壓、強(qiáng)電流的環(huán)境下，電纜爆炸、起火等事故時(shí)有發(fā)生[1]。在已發(fā)生的事故中，大部分是由于溫度過高或設(shè)備溫度過熱引起，對(duì)電力設(shè)施早期的溫度檢測進(jìn)行預(yù)警并采取相應(yīng)的措施，可以有效的減少此類事故的發(fā)生[2]。由于電力系統(tǒng)中的設(shè)備大都處于強(qiáng)電磁場中，傳統(tǒng)的溫度傳感器易受到電磁干擾，無法實(shí)現(xiàn)精密測量，而紅外輻射測溫由于不具備掃描功能和儀器本身測溫距離的限制存在很大的局限性，無法解決電氣設(shè)備內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測 問題[2～3]。光纖布拉格光柵（FBG Fiber Bragg Grating）傳感器具有光纖兼容性、具有低功耗、抗電磁干擾、體積小、易于復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，因此光纖傳感器被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的溫度測量中[4～5]。

FBG傳感技術(shù)中最重要的技術(shù)是對(duì)FBG波長信息的檢測技術(shù)，即對(duì)FBG傳感器反射光譜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測得到FBG傳感器的中心波長[6]，它直接影響FBG傳感器的測量精度問題。目前，常用的FBG波長解調(diào)技術(shù)有干涉法、匹配光柵濾波法[7]、可調(diào)諧F-P腔濾波法[8]、非平衡Mach-Zehnder干涉法[9～10]、CCD測量法和光柵啁啾解調(diào)法[11]。其中，匹配光柵濾波法結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但系統(tǒng)調(diào)諧范圍小，檢測靈敏度由PZT位移靈敏度決定，PZT的非線性對(duì)輸出結(jié)果影響較大，且系統(tǒng)光損耗較大[12]；可調(diào)諧F-P腔濾波法精度較高，且價(jià)格昂貴；非平衡Mach-Zehnder干涉法響應(yīng)速度快，分辨率高，其不足在于解調(diào)精度非線性，解調(diào)范圍較小，易受外界干擾[12]。本文采用以分布式反饋半導(dǎo)體（DFB）窄帶激光器為動(dòng)態(tài)光源掃描FBG的解調(diào)方法，相比于寬帶光源可顯著提高輸出波長的光功率，使其具有較高的信噪比和分辨率，且測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)[13]。

2 基本原理

2.1 光纖光柵傳感基本原理

光纖布拉格光柵是光纖內(nèi)的芯內(nèi)體光柵，形成于一段范圍內(nèi)纖芯折射率的周期性變化，具有高反射率和窄反射帶寬。當(dāng)FBG的一端入射光源時(shí)，由于纖芯折射率發(fā)生了周期性變化，所以纖芯中向前和向后傳輸?shù)墓獠ㄏ囫詈?。在滿足布拉格條件下會(huì)發(fā)生選擇性反射；光纖光柵的中心波長與光柵周期和反向耦合模的有效折射率有關(guān)，其中任意兩個(gè)參量的改變都會(huì)引起FBG波長的變化。光纖光柵的波長表達(dá)式[14]如公式（1）所示：

式中為反射光波長，為纖芯的有效折射率，Λ為光柵周期。當(dāng)光柵所處環(huán)境的溫度 T 變化時(shí)，光纖光柵的周期或纖芯折射率均改變，將等式兩邊同時(shí)對(duì) T 作微分運(yùn)算，得到光纖布拉格光柵的溫度傳感基本表達(dá)式，如公式（2）所示：

式中ζ 為光纖光柵折射率的溫度系數(shù)（熱光系數(shù)），α為光纖光柵的線性熱膨脹系數(shù)。設(shè)，其中KT為光纖布拉格光柵的溫度靈敏度系數(shù)。溫度變化引起光纖光柵中心波長改變，如公式（3）所示：

當(dāng)外界溫度等物理量變化時(shí)，反射光的波長會(huì)隨之發(fā)生改變。對(duì)于摻鍺的普通單模石英光纖，熱光系數(shù)線性熱膨脹系數(shù)光纖光柵相對(duì)溫度靈敏系數(shù)可以通過檢測光纖光柵的中心波長變化得到外界溫度變化[15]。

2.2 DFB激光器波長解調(diào)原理

DFB激光器通過內(nèi)置光纖布拉格光柵構(gòu)成諧振腔，利用光柵的分布反饋從而實(shí)現(xiàn)縱模選擇，在溫控電壓的控制下可以實(shí)現(xiàn)波長可調(diào)諧。本系統(tǒng)采用的是分布式反饋（DFB）窄帶激光器為動(dòng)態(tài)光源掃描FBG的解調(diào)方法，DFB激光器及FBG光譜如圖1所示，DFB激光器光譜線寬約為0.001pm，F(xiàn)BG的光譜線寬約為0.2nm，所以相對(duì)于FBG光譜，DFB激光器光譜極窄。FBG光譜在溫度變化的過程中發(fā)生位置漂移，調(diào)諧DFB激光器中心波長，使DFB中心波長跟蹤FBG光譜變化，由于FBG中心波長與溫度信息有線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過調(diào)整DFB激光器的溫控電壓控制DFB的中心波長，當(dāng)DFB激光器中心波長與FBG波長重合時(shí)，如圖中A位置，此時(shí)通過光電放大獲取最大電壓峰值。根據(jù)此時(shí)的溫控電壓可以確定此時(shí)DFB激光器的中心波長，也就是FBG中心波長，所以可以從中獲取溫度信息，實(shí)現(xiàn)窄帶激光器高精度解調(diào)。

圖1 DFB激光器解調(diào)原理Fig.1 The demodulation principleof DFB laser

光纖光譜和激光器光譜都符合高斯函數(shù)分布，分別表示為F(λ)和S(λ)，如公式（4），（5）所示[16]

式中：y0，F(xiàn)0為背景反射率；bF，bS為FBG和激光器的3dB帶寬；λF，λS為FBG和激光器中心波長。DFB激光器發(fā)出的光經(jīng)過FBG邊帶反射，反射回的光強(qiáng)為和的卷積運(yùn)算，經(jīng)光電放大后得到電壓信號(hào)，如公式（6）所示：

由于FBG的3dB帶寬為0.2nm左右，而DFB激光器的3dB帶寬為0.001pm，因此式（6）可簡化[17]，如公式（7）所示：

式中：β是常數(shù)，它包括光源光強(qiáng)、耦合器分光比、光電路損耗和光電放大倍數(shù)等轉(zhuǎn)換系數(shù)[18]。

以波長連續(xù)變化的激光器周期性的掃描FBG光纖光柵，得到的光電放大信號(hào)如公式（7）所示，當(dāng)λF和λS相等時(shí)，光電放大輸出的電壓信號(hào)最大，此時(shí)DFB激光器的中心波長與FBG光纖光柵的中心波長相同。由于DFB激光器的中心波長與它的控制電壓有線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此根據(jù)此時(shí)的控制電壓，就可以得到DFB激光器此時(shí)的中心波長，即FBG的中心波長，從而解析出此時(shí)溫度的信息。

3 系統(tǒng)設(shè)置

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

光纖光柵測溫系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，包括DFB激光器、溫度控制器、驅(qū)動(dòng)電路、耦合器、光纖光柵溫度傳感器、光電放大器和STM32主控板。系統(tǒng)使用的DFB激光器采用14腳蝶形封裝，中心波長范圍1550.00±0.4nm(25℃) ，帶寬為0.001pm；溫度控制器采用由linear公司的DC388B溫度控制器；驅(qū)動(dòng)電路采用LM317集成電路；光電放大器采用THORLABS公司的PDA10CS-EC型號(hào)的InGaAs Amplified Detector。

圖2 光纖光柵測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Fiber Bragg grating temperature measuring system structure diagram

光纖光柵測溫系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：DFB激光器及其控制電路，光纖光柵傳感器以及STM32主控系統(tǒng)。DFB激光器在驅(qū)動(dòng)電路和溫度控制器的作用下發(fā)出波長可調(diào)諧激光，窄帶激光通過耦合器入射到FBG光纖光柵上，只有滿足布拉格條件的入射光被反射，反射光通過耦合器進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換放大器中，光電轉(zhuǎn)換放大器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)入STM32主控板中，同時(shí)主控板產(chǎn)生的三角波調(diào)諧DFB激光器中心波長，控制激光器對(duì)FBG光柵進(jìn)行掃描，并執(zhí)行尋峰算法，獲取與溫度實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)的FBG中心波長，當(dāng)捕捉到FBG中心波長的峰值時(shí)，采集中心波長并進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，獲取實(shí)時(shí)的溫度信息。

DFB激光器及其控制電路：光源部分采用是分布反饋式窄帶激光器，其中心波長范圍1550.00±0.4nm，帶寬為0.001pm。分布反饋式激光器最大的優(yōu)勢(shì)是單色性非常好，光譜非常純凈，并且具有較高的邊模抑制比，在該系統(tǒng)中應(yīng)用的是中心波長為1550.17nm的DFB窄帶激光器，輸出電流在80mA，性能非常良好。驅(qū)動(dòng)電路采用LM317構(gòu)成的恒流驅(qū)動(dòng)，同時(shí)設(shè)計(jì)有保護(hù)電路以防止輸出電壓大于2v，避免尖峰電流或者尖峰電壓對(duì)激光器產(chǎn)生損壞。溫度控制器采用以LTC1923為核心的DC388B溫度控制電路，激光器內(nèi)部的環(huán)境溫度可以被設(shè)置成不同于外界環(huán)境的溫度，通過主控板輸出溫度控制電壓，可以實(shí)現(xiàn)溫度以0.05oC為基本單位非常精細(xì)地控制，從而實(shí)現(xiàn)激光器中心波長非常小的偏移量，板內(nèi)有14位的LTC1658數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于FBG光柵的精確掃描。通過光譜儀觀測到的光譜特性如圖3所示。

圖3 DFB激光器光譜特性Fig.3 DFB laser spectral characteristics

光纖光柵傳感器：在本系統(tǒng)中，采用光纖布拉格光柵作為溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行測量，其中心波長范圍1549.5±0.2nm。利用FBG對(duì)于溫度的敏感特性，將溫度的變化信息調(diào)制到FBG光纖光柵波長信息的變化當(dāng)中。FBG光纖光柵的光譜圖如圖4所示。

STM32主控系統(tǒng)：控制器以STM32F103RCT6為核心，通過編寫程序產(chǎn)生1V～2V的三角波作為連續(xù)變化的參考電壓，對(duì)激光器溫控電路進(jìn)行數(shù)字量的調(diào)節(jié)，產(chǎn)生周期性的窄帶激光對(duì)FBG光柵進(jìn)行掃描；并通過采集光電放大器的輸出信號(hào)，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及算法分析捕捉FBG光纖光柵的峰值，計(jì)算出當(dāng)前FBG的中心波長，通過其與溫度的線性關(guān)系計(jì)算出當(dāng)前溫度信息。

圖4 FBG光纖光柵的光譜圖Fig.4 FBG spectrum of fiber grating

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32主控板中程序流程圖如圖5所示。

圖5 光纖光柵測溫系統(tǒng)算法程序流程圖Fig.5 Fiber grating temperature measuring system algorithm program flow chart

通過主控系統(tǒng)產(chǎn)生的三角波對(duì)DC388B的參考電壓進(jìn)行數(shù)字調(diào)節(jié)，使激光器的中心波長連續(xù)、可調(diào)諧并能周期性的掃描光纖光柵，通過板載的ADC對(duì)光電放大器輸出的電壓信號(hào)采樣，利用尋峰算法得到峰值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，最后由溫度-峰值波長擬合關(guān)系式得到光纖光柵所處環(huán)境的溫度值。

程序設(shè)計(jì)了兩段三角波的調(diào)控狀態(tài)，這樣做會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間變長，但可以避免掃描到峰值電壓時(shí)，因掃描電壓急速下降導(dǎo)致激光器損壞。程序中加入的上位機(jī)可以通過串口與主控板通信，可以對(duì)擬合系數(shù)等值實(shí)時(shí)的做出調(diào)整。

4 分析與討論

實(shí)驗(yàn)過程中，先通過主控系統(tǒng)對(duì)DC388B芯片參考電壓進(jìn)行數(shù)字調(diào)節(jié)，并在光譜儀（采用日本橫河公司的AQ6370型號(hào)的光譜儀）上觀察DFB激光器的光譜特性，通過觀測光譜得出結(jié)論，只有在參考電壓大于1.2v且小于1.8v時(shí)，DFB激光器的波形正常，且窄帶特性良好。通過對(duì)參考電壓的精確控制，使溫控電壓由1.2v增加到1.8v，以步長為0.05V增長，記錄每個(gè)參考電壓所對(duì)應(yīng)的中心波長；多次測量求波長的平均值。將得到的DFB激光器中心波長數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖6所示。

圖6 參考電壓與激光器中心波長的關(guān)系Fig.6 The relationship between the reference voltage and the laser wavelength

圖6中電壓-波長的擬合關(guān)系式如公式（8）所示：

由于溫度控制器內(nèi)LTC1658是14位的DA芯片，因此主控板數(shù)字調(diào)節(jié)的最小電壓為0.0003v，所對(duì)應(yīng)的DFB激光器中心波長的最小改變量為1pm，由于實(shí)驗(yàn)中采用的光譜儀的最小分辨率為20pm,因此可以觀測的最小波長變化位20pm。

對(duì)于光纖光柵測溫系統(tǒng)，確定光纖光柵中心波長與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系是解調(diào)系統(tǒng)實(shí)施的關(guān)鍵。因此這部分主要采用數(shù)據(jù)標(biāo)定的方法。將FBG光纖光柵放入特定的溫控水槽中（采用HH-1型號(hào)的單孔數(shù)顯恒溫水浴槽，其功率為300W，溫度控制精度為±0.5℃，控制溫度范圍為0～100℃），使溫度值由50開始，溫度每上升2℃測量一次數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每次的測量要經(jīng)過十分鐘后再記錄數(shù)據(jù)。每個(gè)溫度點(diǎn)經(jīng)過多次測量并求平均值，所得的數(shù)據(jù)保留三位小數(shù)，以減小系統(tǒng)誤差。圖7是FBG光纖光柵中心波長與溫度間的擬合后的關(guān)系。

圖7中溫度-波長的擬合關(guān)系式如公式（9）所示：

通過公式（8）和公式（9）可得到參考電壓與溫度的確定關(guān)系式如公式（10）所示：

由式（9）可知，溫度每改變1℃，F(xiàn)BG中心波長改變10.2pm，由式（8）中可得DFB激光器波長最小改變量為1pm，溫度靈敏度可以達(dá)到0.1℃，與理論值相符，提高實(shí)驗(yàn)的溫控箱控制精度，可以達(dá)到0.1℃的分辨率。通過公式（10）可解調(diào)出當(dāng)前溫度值。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于光纖光柵傳感器和DFB激光器的溫度檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，測量誤差小，成本低。采用窄帶激光程控調(diào)諧掃描的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)解調(diào)，給出了控制電壓與光纖光柵中心波長的線性關(guān)系，測量溫度靈敏度可以達(dá)到0.1℃，可實(shí)現(xiàn)的溫度測量范圍是20～90℃，可應(yīng)用于多種溫度測量場合，在電力設(shè)施溫度檢測方面有著廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

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