秦鑫

摘要：光線光柵在傳感領(lǐng)域已經(jīng)逐步成為一個主流器件用來對溫度，應力，壓力，電流等參數(shù)的測量。本文對光纖光柵在溫度測量方面的應用展開了研究討論。通過測量光纖Bragg光柵的反射中心波長隨溫度的偏移量，驗證在一定范圍內(nèi)，反射波長與溫度成正相關(guān)的理論，并根據(jù)這個關(guān)系制作一套光纖光柵溫度傳感器系統(tǒng)，討論對學校總機房溫度檢測的運用。

關(guān)鍵詞：光纖光柵;傳感器;溫度;反射波長

一、前言

光纖光柵是利用光纖的光敏特性制成的。所謂光敏特性是指激光通過摻雜光纖時，光纖的折射率將隨光強的空間分布發(fā)生相應變化的特性，而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其實質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡，利用這一特性可制造出許多性能獨特的光纖器件來，它們都具有反射帶寬范圍大，附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其他光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。

近年來，光線光柵在傳感領(lǐng)域方面已經(jīng)逐步成為主流器件用來對溫度，應力，壓力，電流等參數(shù)的測量。尤其是隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國基礎設施建設的規(guī)模不斷加大，新建的高樓、道路、橋梁、大壩幾乎到處都是。對于這些建筑物健康狀況的傳感、測控成為一項重要課題。加拿大通信中心的Hill等人在1978年首次在摻鍺光纖中采用駐波寫入法制成光纖Bragg光柵。使得光纖光柵傳感器和傳感技術(shù)已經(jīng)成為科學研究和技術(shù)開發(fā)的熱點。

二、光纖bragg光柵傳感器

光纖Bragg光柵折射率變化的周期一般為0.1um量級。它可將入射光中某一確定波長的光反射，反射帶寬窄。在傳感器領(lǐng)域，均勻光纖Bragg光柵可用于制作溫度傳感器、應變傳感器等傳感器;在光通信領(lǐng)域，均勻光纖Bragg光柵可用于制作帶通濾波器、分插復用器和波分復用器的解復用器等器件。

光纖光柵溫度傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有許多自身的優(yōu)點。主要特點表現(xiàn)為：靈敏度高，體積小，耐腐蝕，抗電磁輻射，光路可彎曲，便于遙測，根據(jù)光纖光柵技術(shù)的溫度傳感器，我們采用波長編碼技術(shù)，從而消除了光源功率波動及系統(tǒng)損耗的影響，因此適用于長期監(jiān)測，而且由多個光纖光柵組成的溫度傳感系統(tǒng)。只要采用一根光纜，就可以實現(xiàn)準分布式測量。光纖光柵溫度傳感器是一種新型的光子無源器件，該類型的溫度傳感器的主要部件就是布拉格光。通過芯層摻鍺等元素，使得芯層的折射率比包層的折射率大，這樣就形成了導波，使得光信號可以在芯層中傳播，當芯層折射率受到周期性地調(diào)制以后，布拉格光柵就形成了。布拉格光柵對入射光有選擇性地反射作用，當入射光的波長滿足布拉格發(fā)射條件的時候，經(jīng)過調(diào)制，入射光就不會透過光柵，而是被光柵完全反射回去了。

對于光纖光柵溫度傳感器而言，外界對布拉格波長的影響是有熱膨脹效應與熱光效應引起的。布拉格發(fā)射的中心波長是隨著纖芯的有效折射率和光柵的周期而變化的。當外部條件發(fā)生變化的時候，由于的光纖的熱光效應，光纖的折射率將隨之變化，又由于熱膨脹效應，光柵的周期也將隨之改變。

光纖的熱膨脹系數(shù)與熱光系數(shù)是之和我們叫稱之為光纖的溫度系數(shù)，也叫作溫度靈敏度。在溫度范圍較小的情況下，對特定的光纖光柵而言，溫度系數(shù)是一個定值。常溫下光纖光柵的溫度系數(shù)大約是7.5×10-6/℃。所以我們對每一個特定的傳感器就可以通過實驗定邊的方式來求得溫度系數(shù)。

三、光纖光柵溫度系統(tǒng)的設計

（一）光纖光柵溫度系統(tǒng)工作原理

光纖bragg光柵的溫度傳感器系統(tǒng)的基本原理是監(jiān)測被Bragg光柵反射回來的波長信號的波長漂移量，把這個波長漂移量與溫度對應起來，作為被測函數(shù)。光柵的入射光是一個寬帶光源，通過光柵的時候，滿足布拉格條件的波長信號被光柵反射回去，經(jīng)過光譜儀觀察得到的是一個窄帶光譜。還有一部分的光經(jīng)過光柵，沒有被反射回去而是透射過去，經(jīng)光譜儀觀察得到的是一個有部分缺失的寬帶光譜。在一定范圍內(nèi)，被光纖Bragg光柵反射會來的波長的漂移量是和外界的溫度變化成正比的，這個正比系數(shù)即是光纖Bragg光柵的溫度系數(shù)，也稱為溫度靈敏度。

（二）光纖光柵溫度系統(tǒng)函數(shù)測定

對于一根未知的光纖Bragg光柵，它的溫度系數(shù)是不知道的，需要我們通過實驗來確定，具體的操作如下：

因為Bragg反射波長變化與溫度變化量所成的線性關(guān)系，我們在實驗中只要通過測量Bragg波長的漂移量與溫度的變化量，就可以計算出它們之間的正比系數(shù)。我們先把光纖Bragg光柵放入冰水混合物之中，測得此時的反射波長，即攝氏零度時所對應的反射波波長值;接著將Bragg光柵放入沸騰的水浴之中，測得此時的反射波長，即攝氏100度時所對應的反射波波長值。隨后的操作是至100攝氏度起，溫度每下降5攝氏度，記錄一次光譜分析儀所顯示的反射波長值。這樣做完以后剛好是溫度從零攝氏度開始，溫度每上升5攝氏度，測得一個相對應的反射波長值，一直到100攝氏度為止。為了測量能夠更加準確，進行多次測量求平均值。最后得出波長與溫度的線性關(guān)系式。

通過擬合直線我們得到這條光纖bragg光柵波長與溫度的關(guān)系曲線：

λB=1.18×10-2·T+1548.01

（其中λB為光譜儀測得波長，T為溫度）

根據(jù)上述實驗測得數(shù)據(jù)得出的線性關(guān)系函數(shù)，我們就可以通過光譜儀測得波長的數(shù)值來測溫了。

四、光纖Bragg光柵在學校機房溫度監(jiān)控中的運用暢想

前面提到，光纖光柵溫度傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有許多自身的優(yōu)點。主要特點表現(xiàn)為：靈敏度高，體積小，耐腐蝕，抗電磁輻射，光路可彎曲，便于遙測，根據(jù)光纖光柵技術(shù)的溫度傳感器，我們采用波長編碼技術(shù)，從而消除了光源功率波動及系統(tǒng)損耗的影響，因此適用于長期監(jiān)測。而且由多個光纖光柵組成的溫度傳感系統(tǒng)，只要采用一根光纜，就可以實現(xiàn)準分布式測量?；诠饫w光柵自身的這么多優(yōu)點，它被廣泛地應用于醫(yī)學磁共振，流體溫度及壓力測量，電力系統(tǒng)監(jiān)測，建筑物于橋梁內(nèi)部溫度監(jiān)測，航天航空業(yè)等等，可見其有著良好的市場前景。光纖光柵溫度傳感器正在成為全光網(wǎng)絡及其余多個領(lǐng)域中的主流器件。

基于我?？倷C房實際，設備間電子器件繁多，設備線路眾多。特別是有些設備需要24校不間斷供電運行，因此產(chǎn)熱量較大，如遇到線路老化或者設備短路等情況，會有引起設備燒壞，甚至機房火災的風險。因此基于光纖的種種優(yōu)秀特性，可以嘗試運用光纖溫度計對每個設備實行分布式實時溫度監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)實時反饋給管理人員。這樣既保證了學校設備安全，也在 一定程度降低了機房由于過熱引起火災的風險。

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