分布式光纖布拉格的溫度測試

原鵬飛 王 高 李仰軍

（1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051）

1 引言

由于布拉格光纖光柵傳感器具有許多不可替代的優點以及廣泛的應用前景，得到了學術界和產業界的廣泛關注，其研究和開發在世界范圍內引起了高度的重視。在短短十幾年內，針對布拉格光纖光柵智能傳感網絡的實用化研究和應用己經取得了一些進展，

主要應用領域涉及：民用工程結構、航空航天業、船舶航運業、石油化工業、電力工業、核工業、醫學等。隨著光纖技術的日趨成熟，對光纖傳感器的實用化開發成為整個領域發展的熱點和關鍵。

2 光纖光柵溫度傳感特性

用寬帶光源從光纖布喇格光柵一端入射，由于折射率的周期變化，使得纖芯中向前和向后的光波耦合。滿足布喇格條件波長的光功率耦合到向后的傳輸波中，在反射譜中形成峰值，在透射譜中形成中心波長的峰谷。布喇格條件為

式中λ為光柵中心波長，n為纖芯有效折射率，Λ為纖芯折射率的調制周期。

溫度變化既引起光纖光柵折射率的變化，同時由于熱膨脹也引起柵距的變化。將不考慮波導效應，將式（1）對溫度T取導數，可得

式（5）即為假定沒有應變作用的光纖光柵中心波長變化與溫度增量的關系。

3 系統總體方案設計及工作原理如圖1所示

圖1 為所設計的分布式FBG波長測溫的基本原理圖

分布式FBG傳感系統在一根光纖中串接多個FBG 傳感器λ l、λ 2、λ 3，λ 4，λ 5，λ 6，λ 7。當寬帶光源的光入射光纖時，每一個波長的FBG都會反射回一個不同波長的窄帶光波。外界物理量，如溫度或應變作用于傳感FBG時，都會引起波長的平移。因此解調系統可以通過測量各點傳感光柵反射波長的平移量來測量各點的物理參量。反射光經耦合器進入可調窄帶光纖F-P濾波器。本方案可以同時可以采用外部驅動信號，同時接收同步信號。

4 封裝后的光纖

圖2 封裝好的光纖布拉格光柵

本次實驗所用到的三根光纖上的光柵都是經過封裝的，如上圖所示。雖然裸FBG的線性關系良好，但其熱靈敏度不高，并且容易折斷，所以要對其進行封裝。本次實驗室對溫度的測量，所以為了防止外部應力對FBG的影響，一般封裝形式是在FBG上套上金屬管。比如使用毛細鋼管進行封裝，還有的是在金屬管內部粘上一個熱膨脹率高的基底，然后再將FBG粘在基底上[31]。但是毛細鋼管直徑太小，不利于灌膠，而將FBG粘在基底上則是利用基底的熱膨脹來壓迫FBG，但是這樣的方法使得FBG受到的熱膨脹不均勻。本論文使用的是一種新型的封裝形式，可以避免以上兩種封裝的缺點。即將FBG用環氧樹脂膠封裝于三根鋼條之間，并在三根鋼條之外套上金屬管。

圖3 FBG的封裝結構

圖3 .7即為FBG的封裝結構。從圖上可以看到，我們使用環氧樹脂膠將FBG封裝于三根鋼條之間，這樣FBG處于環氧樹脂膠之中可以保證其受熱膨脹的均勻性。三根鋼條之外再套上鋼管保護FBG不受外部應力的影響[32]。這樣的封裝結構有利于灌膠。我們在鋼管之中注入導熱膏，用來加快熱傳導的速度。在灌膠的時候要一邊加熱一邊灌，這樣可以防止導熱膏出現氣泡，保證導熱的均勻性。在單根光纖上連續寫入多個標準光柵，無熔接點，增加了抗拉強度，滿足了長距離測量或多點測量的需要，可提高測量系統的可靠性及穩定性。封裝后的光纖光柵中心波長為1510～1590nm，工作溫度為-5～80℃。

5 實驗結果與分析

經過解調儀解調后，用labview顯示的如圖二所示，可以明顯看出一根光纖上7個不同中心波長的布拉格光柵，封裝的布拉格光纖傳感器隨溫度變化中心波長漂移，可以看出各個點中心波長的變化，變化的中心波長與溫度有一定的線性關系。

圖4 傳感器各點的中心波長圖

將封裝的布拉格光纖傳感器放置在恒溫箱中，設置恒溫箱溫度為10℃，20℃，30℃，40℃，50℃，60℃，70℃。記錄七個封裝的光纖傳感器在各個溫度條件下中心波長的變化。

圖5 為封裝的1號傳感器溫度曲線擬合圖

圖6 為封裝的2號傳感器溫度曲線擬合圖

圖7 為封裝的3號傳感器溫度曲線擬合圖

圖8 為封裝的4號傳感器溫度曲線擬合圖

圖9 為封裝的5號傳感器溫度曲線擬合圖

圖10 為封裝的6號傳感器溫度曲線擬合圖

圖11 為封裝的7號傳感器溫度曲線擬合圖

在圖3-9中可以看出，在溫度20～70℃范圍內，光纖布拉格的中心波長隨溫度變化呈良好的線性，線性度達到99.6%以上。相對誤差可能是由于溫控箱密封不好，導致溫度計讀數誤差所致。另外，光譜儀存在一定的回程誤差，這使得記錄波長同實際波長有一定的偏差。

6 結論

本文提出了分布式光纖光柵解調系統，光纖光柵波長隨溫度變化發生漂移，在一根光纖上刻不同中心波長的布拉格光柵，能夠滿足在大工程測量中大面積的多點測量。通過對封裝的傳感器進行恒溫的定標后，利用高精度熱電偶傳感器與布拉格傳感器測量的溫度對比，光柵的溫度敏感性可以達到20 pm/℃，光柵的測量溫度與實際溫度的誤差在3%范圍內。實驗表明該系統具有精度高、適用于分布式多點測量的特點。

[1] GAO Hong-wei；YUAN Shu-zhong；LIU Bo InGaAs Spectrometer and F-P Filter Combined FBG Sensing Multiplexing Technique[外文期刊]2008（14）.

[2] YANG Xi-chun；PEI Jin-cheng；ZHAN Ya-ge Some engineering issues of an FBG sensor with the dual gratings parallelmatched interrogation method 2007（01）.

[3]饒云江；周昌學；冉曾令啁啾光纖光柵法布里-珀羅傳感器波分復用[期刊論文]-中國激光 2006（05）.

[4]金曉龍.基于ZigBee的糧倉無線測溫系統的設計.測控技術，2011，30（10）.

[5]楊仁弟，張艷麗.基于智能溫度傳感器的糧倉溫度檢測系統設計.儀器儀表用戶，2007，14（3）.

[6]劉勇，吳波等.一種實用的糧倉測溫儀.傳感器技術，2003.22（9）.

[7] 曲雙如，丁克勤，趙晶亮 基于光纖光柵傳感器和超磁致伸縮材料的磁場測量 [期刊論文] -電子測試2012（1）.

[8] 李宏男；任亮 結構健康監測光纖光柵傳感技術 2008.