馬賽飛，劉鈞

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光纖光柵式智能溫度傳感器的設(shè)計(jì)＊

馬賽飛1，劉鈞2

（1.河南省氣象探測數(shù)據(jù)中心，河南 鄭州 450003；2.中國華云氣象科技集團(tuán)公司，北京 100000）

為了實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜惡劣環(huán)境下對溫度的智能監(jiān)測，且氣象站能遠(yuǎn)程獲得實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，提出采用光纖光柵作為傳感元件，使其與光耦合電路、光電探測器通過光纖連接，最后連接到帶有ZigBee的數(shù)據(jù)處理模塊，設(shè)計(jì)出光纖光柵式智能溫度傳感器系統(tǒng)。介紹了硬件的構(gòu)建和應(yīng)用軟件的流程圖，通過應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，傳輸給集成處理器，最終實(shí)現(xiàn)對溫度的采集。經(jīng)過測試，該傳感器具有高分辨率、抗電磁干擾、誤差范圍小等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足智能氣象站溫度采集的需求。

氣象站；光纖光柵；中心波長；ZigBee

1 引言

作為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個(gè)很普遍的測量參數(shù)，溫度可以通過物體隨溫度的變化的某些特征來間接測量[1]，實(shí)時(shí)有效的溫度計(jì)量和監(jiān)測在國民經(jīng)濟(jì)各部門也具有重要影響力和非常廣泛的應(yīng)用。

要將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杽t離不開溫度傳感器，尤其在氣象探測領(lǐng)域，溫度傳感器的數(shù)量大約占全部傳感器一半的比例[2]。研究發(fā)現(xiàn)，光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比，它具有靈敏度高、不受電磁干擾、抗腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于苛刻環(huán)境下的溫度檢測。光纖光柵在未來很長一段時(shí)間內(nèi)，都將是光纖通信系統(tǒng)中最具有實(shí)用價(jià)值的器件之一，是一種無源濾波器件，全兼容于光纖，其諧振波長對溫度的變化比較敏感，因此在光纖通信和傳感領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

利用光纖光柵制作的溫度傳感器的傳感信號為波長調(diào)制，這一傳感機(jī)制的好處在于：能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個(gè)布拉格光柵進(jìn)行分布式測量，傳感器的一個(gè)發(fā)展方向就是多點(diǎn)、分布式；高分辨率和大范圍的對材料內(nèi)部的溫度進(jìn)行測量[4]。

利用這些好處可以將它運(yùn)用于交通上的氣象站，設(shè)計(jì)中加入ZigBee無線傳輸模塊，以無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能信息處理技術(shù)、光纖光柵傳感技術(shù)為支撐，研制低功耗、高集成、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的地面氣象智能傳感器，實(shí)現(xiàn)地面氣象要素的智能觀測，設(shè)計(jì)出了能夠無線傳輸溫度數(shù)據(jù)的智能溫度傳感器系統(tǒng)，可以將它應(yīng)用于智能化交通氣象站中測量溫度，滿足數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。

2 傳感原理及總體方案設(shè)計(jì)

2.1 光纖光柵傳感原理

光纖光柵傳感技術(shù)為光纖傳感技術(shù)的一種，而其中的核心傳感元件為光纖光柵（Fiber Bragg Grating，簡寫為FBG），它是具有特殊結(jié)構(gòu)的一段光纖。它的功能相當(dāng)于反射鏡或?yàn)V波器，對入射的寬帶光會(huì)選擇性地反射回一個(gè)窄帶光，透射光繼續(xù)行進(jìn)，如圖1所示。選擇性是指每一個(gè)光纖光柵返回光的中心波長，是由刻寫時(shí)候的參數(shù)確定的，一旦光纖光柵刻寫完畢，其返回的中心波長數(shù)值即確定。該中心波長與光纖光柵的物理特征滿足布拉格方程，該中心波長在溫度、應(yīng)變的作用下發(fā)生偏移，通過測量中心波長的偏移，即可反演出溫度、應(yīng)變數(shù)據(jù)[5]。

圖1 光纖光柵功能示意圖

布拉格方程為：

B=2eff. （1）

式（1）中：B為光纖光柵的中心波長；eff為光柵的有效折射率；為光柵條紋周期。

對上式進(jìn)行變化，可得出光纖布拉格光柵中心波長變化量與溫度變化之間的關(guān)系。

當(dāng)光纖光柵周圍的溫度發(fā)生變化Δ時(shí)，此光纖光柵的中心波長會(huì)發(fā)生漂移ΔB，通過檢測ΔB，便可以計(jì)算出外界溫度的改變量Δ。其中，溫度變化Δ與波長變化ΔB之間滿足：

ΔB/B=（+）×Δ（2）

式（2）中：為光纖的熱膨脹系數(shù)，取0.55×10-6/℃；為光纖光柵的熱光系數(shù)，常溫下取6.3×10-6/℃；Δ是溫度變化量；ΔB為中心波長變化量；B為光纖光柵中心波長。

經(jīng)計(jì)算，可明確獲知當(dāng)溫度上升1 ℃，波長則變化10 pm，所以實(shí)時(shí)監(jiān)測光纖光柵中心波長的變化，即可準(zhǔn)確感測溫度數(shù)值，且溫度變化與波長變化成線性變化，如圖2所示。

圖2 中心波長與溫度的線性曲線

2.2 總體方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的溫度傳感器是利用光纖光柵中心波長受光纖光柵對溫度的變化的原理，對光纖光柵進(jìn)行封裝形成了光纖光柵傳感器。光纖光柵將被測的溫度轉(zhuǎn)化為光信息，由光纖傳輸，通過光耦合器和光電探測器，最后接入設(shè)計(jì)的硬件電路數(shù)據(jù)處理模塊，實(shí)現(xiàn)溫度傳感器的設(shè)計(jì)，模塊使用鋰電池進(jìn)行供電并且配有太陽能板可對其進(jìn)行充電。系統(tǒng)處理器通過各個(gè)引腳控制外圍電路，實(shí)現(xiàn)對溫度要素的采集與無線傳輸。傳感器系統(tǒng)適配各種微控制器，是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實(shí)現(xiàn)采集、傳輸功能的，同時(shí)軟件的開發(fā)水平也決定其智能化程度。同時(shí)為了更好地對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和實(shí)現(xiàn)軟件算法，采用統(tǒng)一的質(zhì)量控制標(biāo)識碼。氣象要素設(shè)備級數(shù)據(jù)采樣算法和質(zhì)量控制，是獲得準(zhǔn)確探測數(shù)據(jù)的重要過程。傳感器級質(zhì)量控制是基本的質(zhì)量控制，是對采樣值轉(zhuǎn)換為氣象要素的過程進(jìn)行質(zhì)量控制，其質(zhì)量控制對象為氣象要素的采樣值。

3 硬件的構(gòu)建

設(shè)計(jì)的溫度傳感器系統(tǒng)主要由傳感元件光纖光柵、光耦合器、光電探測器、數(shù)據(jù)處理模塊組成。光纖光柵十分纖細(xì)，要對裸柵進(jìn)行封裝，增強(qiáng)傳感器的機(jī)械強(qiáng)度和使用壽命[6]。本設(shè)計(jì)采用雙層鋼管封裝技術(shù)，不僅可以有效提高傳感器的溫度靈敏度，使傳感器能自由感應(yīng)被測對象的溫度變化，而且消除了外界應(yīng)變影響，使傳感器免受外界應(yīng)力的沖擊。利用長周期光柵作為線性濾波器，寬帶光源經(jīng)過其調(diào)制后入射到傳感光柵，可解調(diào)光纖光柵的波長移位[7]。當(dāng)傳感光柵的波長被傳感信號調(diào)制時(shí)，其反射峰在線性區(qū)域的位置發(fā)生變化，但其譜形不會(huì)隨著被測信號改變而改變。因此反射的絕對光功率將呈線性變化，光電探測器的光電流將呈線性變化，這樣就可以解調(diào)光纖光柵的波長變化。數(shù)據(jù)處理模塊包括硬件和應(yīng)用軟件，其中硬件包含高性能處理器（CPU）、高精度A/D轉(zhuǎn)換電路、高精度時(shí)鐘電路、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、供電單元、通信接口、鉑電阻、監(jiān)控電路和指示燈等，傳感器中的數(shù)據(jù)處理模塊RS232通信接口與外置電源接口統(tǒng)一采用一個(gè)5芯孔型航空插頭，其中1腳為電源正，2腳為電源負(fù)，3腳為TX，4腳為RX，5腳為RS232的GND。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

數(shù)據(jù)處理模塊采用內(nèi)置鋰電池供電，外置電源接口連接太陽能板或其他充電設(shè)備，通過電源轉(zhuǎn)換模塊給內(nèi)置電池充電，外接電源供電電壓為5～15 V。無線通信天線應(yīng)選用頻率2.4 GHz、增益＜12 dBi的天線，安裝位置應(yīng)能保障正常通信。自帶高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘，時(shí)鐘走時(shí)每日誤差≤1 s，接受集成處理器定時(shí)校時(shí)，校時(shí)誤差小于1 s。同時(shí)選擇16位以上的A/D轉(zhuǎn)換電路，滿足傳感器測量精度要求。程序存儲器為非易失性的，容量應(yīng)滿足應(yīng)用軟件容量要求，而且具有50%的余量。數(shù)據(jù)存儲器應(yīng)選擇非易失性的、容量滿足數(shù)據(jù)存儲需要，并有50%余量。天線接口用于安裝 ZigBee外置天線，RS232/485/422接口用于串口通信與調(diào)試，同時(shí)外接電路還有系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)指示燈和通信狀態(tài)指示燈。

4 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件是整個(gè)系統(tǒng)的重要部分，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)智能化處理，主要分為3個(gè)功能模塊，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)上傳模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊主要采集氣象信息，數(shù)據(jù)處理模塊主要完成采樣算法計(jì)算、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和存儲；數(shù)據(jù)上傳部分主要為集成處理器提供分鐘和5分鐘氣象要素，其交互方式可采用串行通信或無線網(wǎng)絡(luò)通信。無線通信應(yīng)用軟件協(xié)議棧為Z-Stack 2007 Pro，RS-232通信協(xié)議設(shè)置為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)，默認(rèn)9 600波特率。同時(shí)采取相應(yīng)軟件手段，對相應(yīng)模塊的程序進(jìn)行調(diào)試，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。軟件數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

5 測試結(jié)果及應(yīng)用

通過實(shí)驗(yàn)測試，本次設(shè)計(jì)的光纖光柵溫度傳感器符合最小分辨力0.01 ℃，最大允許誤差±0.1 ℃的要求。傳感器溫度測量范圍和精度均能滿足要求，使用效果良好。最后將設(shè)計(jì)好的溫度傳感器放置在樓頂，連接好鋰電池和太陽能板，進(jìn)行試驗(yàn)，通過超級終端，集成處理器可以接收到溫度傳感器通過無線模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，串口測試軟件如圖5所示，目前系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運(yùn)行。

圖4 軟件流程圖

圖5 串口軟件測試圖

6 結(jié)束語

在現(xiàn)有的研究成果基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種光纖光柵式智能溫度傳感器系統(tǒng)，加入無線模塊，進(jìn)行系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)。最后對設(shè)計(jì)的溫度傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了測試，在允許誤差范圍內(nèi)，達(dá)到了大范圍的測量，抗腐蝕性好，高可靠性的設(shè)計(jì)要求能夠滿足氣象站測溫的需要。適合氣象觀測的智能型溫度傳感器具備校準(zhǔn)功能、質(zhì)量控制、設(shè)備狀態(tài)等功能。使用了高穩(wěn)定性的電子測量技術(shù)、短距離無線通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等技術(shù)，把光纖測量技術(shù)推廣運(yùn)用到對氣象要素的測量中，把光纖測量技術(shù)引入氣象探測應(yīng)用中。通過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可對應(yīng)變監(jiān)測變形，還可以對氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等進(jìn)行測量，有良好的發(fā)展前景。

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國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目（編號：2012YQ110205）

2095－6835（2018）24－0125－03

TP212.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.125

馬賽飛（1990—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇髿馓綔y信息處理、地面氣象觀測。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕