（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

隨著光纖光柵的制作技術(shù)不斷成熟，光纖光柵傳感技術(shù)，特別是布喇格光纖光柵（Fiber Bragg Grating，簡(jiǎn)稱FBG）傳感技術(shù)發(fā)展迅速并廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器相比，光纖光柵傳感器具有本質(zhì)無(wú)源、能探測(cè)外界微小變化、尺寸小、制作成本低，可以在惡劣環(huán)境中使用等優(yōu)點(diǎn)。光纖光柵是一種波長(zhǎng)調(diào)制型傳感器，通過(guò)將外界的物理量轉(zhuǎn)化成中心波長(zhǎng)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信息的感知［1-3］。由于被傳感的物理量信息調(diào)制在光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)上，因此如何精確、低成本、高速的解調(diào)出光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化是光纖光柵技術(shù)的核心。

目前的光纖光柵解調(diào)方法可分為光譜儀檢測(cè)法、可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)法、可調(diào)諧光纖F-P濾波器法、匹配濾波法、衍射解調(diào)法、邊緣濾波法和干涉法等七種，其中干涉解調(diào)法的分辨力最高，具有精度高、成本低、體積小的優(yōu)點(diǎn)，這種方法是將光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化轉(zhuǎn)化成干涉儀的相位變化，從而實(shí)現(xiàn)解調(diào)［4-6］。但測(cè)量干涉儀輸出信號(hào)的相位并不簡(jiǎn)單，如今常用的基于2×2光纖耦合器干涉儀的干涉解調(diào)法存在不靈敏區(qū)［7］，因此需要外加調(diào)制信號(hào)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和解調(diào)難度，本文采用基于3×3光纖耦合器干涉儀的干涉解調(diào)方法很好的解決了這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了在成本較低的前提下對(duì)光纖光柵溫度傳感器中心波長(zhǎng)的精準(zhǔn)探測(cè)。

1 傳感原理

簡(jiǎn)單地說(shuō)，F(xiàn)BG是指利用單模摻鍺光纖纖芯經(jīng)紫外線刻蝕后形成的光纖型光柵。成柵后的光纖纖芯折射率呈現(xiàn)周期性分布，產(chǎn)生光柵效應(yīng)［8］。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，這種光纖光柵的基本光學(xué)特性就是以共振波長(zhǎng)為中心的窄帶光學(xué)濾波器。根據(jù)FBG的特性和光纖耦合理論可得

其中，λ為FBG的中心波長(zhǎng)；neff為光纖的有效折射率；Λ為光柵的刻蝕周期。

圖1 光纖光柵原理示意圖

考慮到溫度和應(yīng)變都能引起有效折射率和光柵的周期變化可得：

其中， Δλ為FBG的中心波長(zhǎng)的改變量；af是FBG的應(yīng)變靈敏系數(shù)；at是FBG的溫度靈敏系數(shù)；ε是光纖光柵發(fā)生的應(yīng)變量；ΔT是光纖光柵上溫度的改變量。由式（2）可知，外界溫度和應(yīng)變都會(huì)使光纖光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化，因此當(dāng)FBG被用于溫度測(cè)量時(shí)，要去除應(yīng)力應(yīng)變對(duì)光纖光柵傳感器中心波長(zhǎng)的影響，即解決交叉敏感問(wèn)題。一般可以通過(guò)增加參考光柵法、采用啁啾光柵、通過(guò)封裝隔絕應(yīng)力等方法來(lái)避免交叉敏感問(wèn)題。

2 光纖光柵溫度傳感器封裝與標(biāo)定

為了解決交叉敏感問(wèn)題并對(duì)本體較脆的光纖光柵進(jìn)行保護(hù)，本文設(shè)計(jì)了一種光纖光柵溫度傳感器的封裝。封裝工藝如圖2所示，選取外徑8mm、內(nèi)徑6mm、長(zhǎng)9cm的不銹鋼管作為套管，將光纖光柵固定在套管的中間，使光柵平直置于套管的軸線位置，套管兩端光纖用環(huán)氧樹(shù)脂固定，保證光柵固定在套管中間，固定時(shí)使套管兩端的光纖盡量松弛，不受拉力，套管內(nèi)其余部分用導(dǎo)熱硅膠填充，保證傳感器的導(dǎo)熱性。隨后用環(huán)氧樹(shù)脂膠將不銹鋼套管兩端密封，并套上保護(hù)膠套。傳感器的封裝實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 溫度傳感器封裝結(jié)構(gòu)

圖3 實(shí)物圖

搭建如圖4所示光路圖，寬帶光經(jīng)過(guò)環(huán)形器到達(dá)光纖光柵溫度傳感器，代表外界溫度信息的光纖光柵中心波長(zhǎng)的光再通過(guò)環(huán)形器進(jìn)入光譜儀，當(dāng)傳感器的溫度改變時(shí)，中心波長(zhǎng)的改變可由光譜儀觀測(cè)，使用橫河公司AQ6317B型波長(zhǎng)分辨率為0.02nm、波長(zhǎng)范圍600～1750nm的光譜儀和可調(diào)電熱爐對(duì)光纖光柵各溫度下的中心波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，從40℃開(kāi)始測(cè)量，每5℃記錄一次傳感器的中心波長(zhǎng)，一直加熱到100℃，多次實(shí)驗(yàn)讀取光譜儀輸出光譜的中心波長(zhǎng)，取平均值，得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，擬合曲線如圖5所示，光譜儀上光譜曲線如圖6所示。

圖4 光纖光柵溫度傳感器標(biāo)定原理圖

圖5 光纖光柵溫度傳感器溫度-波長(zhǎng)曲線

圖6 光譜波長(zhǎng)曲線

如圖5所示，光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏系數(shù)為9.72pm/℃，這與未封裝的光纖光柵在僅受溫度影響時(shí)的靈敏系數(shù)十分接近，達(dá)到了解決交叉敏感問(wèn)題并對(duì)本體較脆的光纖光柵進(jìn)行保護(hù)的目的。溫度與波長(zhǎng)的線性相關(guān)系數(shù)為0.9998，其理想的線性度以及簡(jiǎn)單、實(shí)用、低成本的封裝工藝保證了此光纖光柵溫度傳感器在工程實(shí)踐中對(duì)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性高，適合工業(yè)大批量生產(chǎn)。

3 基于3×3耦合器光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)

基于3×3耦合器光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的光路如圖7所示，40mw寬帶（ASE）光源發(fā)出的寬帶光通過(guò)環(huán)形器進(jìn)入光纖光柵溫度傳感器，經(jīng)過(guò)光纖光柵傳感器后，攜帶傳感信息的反射光經(jīng)過(guò)環(huán)形器進(jìn)入由一只2×2耦合器和一只3×3耦合器組成的兩臂不等長(zhǎng)的非平衡Mach Zehnder干涉儀中，通過(guò)光電探測(cè)器將干涉儀的三路輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)［9-12］，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集送入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行解調(diào)和數(shù)據(jù)處理，獲得溫度信息。解調(diào)算法采用微分交叉相乘法解調(diào)算法，整個(gè)解調(diào)算法過(guò)程如圖8所示。

圖7 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)原理圖

由式（2）和圖2可知，當(dāng)通過(guò)封裝去除應(yīng)力應(yīng)變對(duì)光纖光柵中心波長(zhǎng)的影響后，光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化僅與外界溫度有關(guān)。即：

當(dāng)光纖光柵受外界溫度變化影響導(dǎo)致進(jìn)入干涉儀的反射光的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，由于Mach Zehnder干涉儀的兩臂不等長(zhǎng)，導(dǎo)致反射光的波長(zhǎng)變化轉(zhuǎn)化成了干涉儀的相位變化，可表示為：

其中，n為光纖的有效折射率；ΔL為干涉儀兩臂的長(zhǎng)度差。

φ(t0)為外界溫度變化前干涉儀的輸出相位；φ(t)為外界溫度變化引起的相位信號(hào)。把式（4）帶入式（5）得：

其中，I0為平均光強(qiáng)，當(dāng)光源穩(wěn)定時(shí)為直流常量。K為可見(jiàn)度，理想狀態(tài)I10=I20=I30，但實(shí)際上由于3×3耦合器的分光比不均并且存在插入損耗導(dǎo)致I10、I20、I30不等。φn(t)=φ(t)+α0(t)為等待解調(diào)的信號(hào)，α0為環(huán)境引起的高頻噪聲。

將滿足式（7）的光強(qiáng)信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換、放大、并通過(guò)電容隔直法消去直流量In0，得到三路電壓為：

由此可知，得到φ(t)即可得出t時(shí)外界的溫度。理想的3×3耦合器的特性是三路輸出分光比相等，相位相差120°，結(jié)合干涉儀原理可得，當(dāng)攜帶傳感信息的反射光經(jīng)過(guò)環(huán)形器進(jìn)入從2×2耦合器的任何一個(gè)入口進(jìn)入干涉儀，3×3耦合器的三個(gè)輸出端的輸出光強(qiáng)可表示為：

其中，Gn為各路總增益，等于光電轉(zhuǎn)換系數(shù)、I/V轉(zhuǎn)換系數(shù)、放大電路增益的乘積。由于Gn可以人為調(diào)整，K和In0都是常量，因此可以使三路輸出信號(hào)的幅值相等，即：

為推導(dǎo)方便取A=1，得：

表1 光纖光柵溫度傳感器溫度-波長(zhǎng)變化數(shù)據(jù)

對(duì)滿足式（10）的包含外界信息的調(diào)制信號(hào)用微分交叉相乘法解調(diào)，其原理如圖8所示。首先三路電壓信號(hào)進(jìn)入微分器得

把每路Vin與另外兩路微分值的差相乘，采用積化和差公式化簡(jiǎn)后可得

圖8 微分交叉相乘法解調(diào)算法原理

將a1、a2、a3送入加法器，得：

然后通過(guò)積分器，取積分常量為零得：

消系數(shù)后通過(guò)低通濾波器濾除高頻噪聲α0(t)，即得：

由式（3）與式（6）可知Vo與外界的溫度信號(hào)成比例，可以使用Vo值直接對(duì)外界的溫度信息進(jìn)行解調(diào)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖9所示，解調(diào)原理與圖7相同，在采用基于3×3耦合器光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的同時(shí)，使用光譜儀對(duì)解調(diào)系統(tǒng)的功能進(jìn)行驗(yàn)證，ASE光源的功率為40mw，光譜范圍1528～1563nm，數(shù)據(jù)采集模塊的AD采集部分選擇采用北京阿爾泰公司的PXIe8582AD數(shù)據(jù)采集卡，該板卡提供8路模擬量輸入、12位ADC精度、傳輸方式為PXIe總線同步通信、±5V的輸入量程為、采樣率最高為100MS/s，AD數(shù)據(jù)采集卡也可用其他AD采集芯片替代，從而降低系統(tǒng)成本。光纖光柵采用論文第二部分自制的光纖光柵溫度傳感器，40℃時(shí)中心波長(zhǎng)為1550.13nm。

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

使用可調(diào)電熱爐對(duì)光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行加熱，從40℃開(kāi)始加熱，每5℃記錄分別記錄一組系統(tǒng)檢測(cè)值V0和光譜儀的輸出數(shù)據(jù)，一直加熱到100℃，多次實(shí)驗(yàn)讀取數(shù)據(jù)，取平均值，系統(tǒng)檢測(cè)值V0隨溫度的變化的如圖10所示，系統(tǒng)檢測(cè)值V0與光譜儀輸出的關(guān)系見(jiàn)圖11。

圖10 系統(tǒng)檢測(cè)值與溫度變化的關(guān)系

圖11 系統(tǒng)檢測(cè)值與光譜儀輸出的關(guān)系

如圖11所示，系統(tǒng)檢測(cè)值V0與光譜儀輸出呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性度為0.99673，從第三部分可知，系統(tǒng)檢測(cè)值V0與干涉儀的輸入光的波長(zhǎng)之間的線性系數(shù)受各級(jí)放大電路的增益影響，但是由于它們之間理想的線性關(guān)系，系統(tǒng)檢測(cè)值V0經(jīng)過(guò)標(biāo)定之后可以直接用來(lái)代表光纖光柵溫度傳感器的中心波長(zhǎng)從而達(dá)到對(duì)外界溫度進(jìn)行解調(diào)的目的。從圖10中不難看出系統(tǒng)檢測(cè)值與溫度變化的線性關(guān)系，線性度為0.99986，由于系統(tǒng)檢測(cè)值V0與干涉儀的輸入光的波長(zhǎng)之間的線性系數(shù)受各級(jí)放大電路的增益影響，因此系統(tǒng)檢測(cè)值V0與溫度之間的線性系數(shù)同樣受到各級(jí)放大電路的增益影響，但是經(jīng)過(guò)標(biāo)定后可直接用來(lái)解調(diào)外界溫度，當(dāng)增益參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，重新進(jìn)行標(biāo)定即可，本次實(shí)驗(yàn)的溫度靈敏度為0.0411V/℃，多次實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)在40℃～100℃的測(cè)量范圍內(nèi)溫度測(cè)量誤差小于0.1℃。

5 結(jié)論

結(jié)合FBG的溫度應(yīng)變交叉敏感特性和管式封裝技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一種管式光纖光柵溫度傳感器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了傳感器的溫度特性，結(jié)果表明，隨著溫度升高，傳感器呈現(xiàn)良好的線性，溫度靈敏系數(shù)為9.72pm/℃。在此基礎(chǔ)上，本文采用了基于3×3耦合器的干涉型光纖光柵解調(diào)方案，在研究基于3×3耦合器的光纖光柵解調(diào)光路和算法之后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)并使用光譜儀作為對(duì)照，實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)檢測(cè)值與光譜儀輸出具有明顯的線性關(guān)系，在40℃～100℃的測(cè)量范圍內(nèi)溫度測(cè)量誤差小于0.1℃，適用于在工程應(yīng)用中的溫度測(cè)量。