基于DSP光纖光柵溫度在線監測系統設計

彭云峰，舒 暢，周 坡

（武漢軍械士官學校 光電系，湖北 武漢 430075）

0 引言

光纖布喇格光柵傳感器屬于波長調制型光纖傳感器，具有不受光源功率波動和系統損耗等獨特的優點，被廣泛應用于航天、船舶、電力、石油及醫學等眾多領域，是目前光纖傳感領域的研究熱點。在光纖光柵傳感系統中，中心波長位移的精確測量決定傳感信號的精度[1-2]，因此對傳感信號的精密解調是光纖光柵傳感器實用化的關鍵技術之一。

在對電力設備的溫度在線監測課題進行研究的基礎上，通過分析光纖光柵溫度傳感的原理，論證了光纖光柵測溫的可行性，并且提出了一種基于DSP光纖光柵溫度解調系統的設計方法，根據該方法設計并研制了電力設備溫度在線監測系統。

1 光纖光柵溫度傳感原理

光纖光柵測溫技術是以光柵傳感器為核心，根據不同溫度反射的波長變化而實現溫度測量。如圖1所示，當一寬帶光源注入光纖，將產生模式耦合，其中波長為Bλ的光會被布喇格光柵有效反射，而其他波長的光則透過布喇格光柵繼續傳播。

由耦合模理論[3]，光纖布喇格光柵(FBG)的中心反射波長可表示為：

式中，effn 為光纖纖芯的有效折射率，Λ為光柵的周期。

圖1 光纖光柵傳感光路

對式(1)求導可得：

式(4)表示了光纖光柵波長變化與溫度變化的對應關系。

由式(4)可知，當光纖光柵受到外界溫度影響時，會使光纖布喇格光柵中心波長發生移動，通過檢測光纖布喇格光柵中心波長Bλ的變化即可以檢測出待測溫度。

2 溫度監測系統設計

2.1 硬件設計

根據工程的實際需要，選擇了布喇格光柵測溫技術方案進行溫度監測系統的設計。圖2為系統硬件原理框圖，該監測系統主要由光柵溫度傳感器、波長解調單元、工業控制計算機3大部分構成。系統波長解調單元主要由寬帶光源，F-P腔可調諧濾波器，校準裝置，DSP系統，A/D、D/A模塊以及光電探測模塊組成，該解調單元采用波分復用的方式完成對信號的采集處理[4]。

圖2 系統硬件原理框

圖2中，由DSP系統生成驅動電壓的數字量，經D/A轉換成模擬鋸齒波電壓，驅動可調諧濾波器（Fabry-Perot）工作在周期性的濾波掃描狀態，從而使透過F-P可調諧濾波器光的波長發生改變。寬帶光源經過F-P腔體濾波器調諧后輸出離散光譜信號，該波長相連的脈沖光經耦合器進入傳感光纖光柵FBG陣列，波長相連的脈沖光序列經過串聯的布喇格光柵時，會反射與該光柵中心波長匹配的單脈沖光，當脈沖光與傳感光柵反射波的中心波長完全匹配時，其反射波的光功率達到極大值(呈波峰狀)，這樣，每一個傳感光柵都會反射回與之唯一對應的反射波，這些反射光再送到光電探測模塊，光電探測模塊進行光電轉換，放大，濾波等處理后將微弱的光信號轉化為具有一定幅值的電信號，經過A/D轉換后，由DSP系統進行數據處理，從而得到每個傳感器的波長以及溫度值，最后數據送到上位機進行實時監控[5-6]。

為了克服F-P腔可調諧濾波器腔長漂移（溫漂）以及驅動元件的非線性特性引起的測量精度，本系統利用光纖梳狀濾波器提供參考點，實現對光纖布喇格光柵中心波長的標定，這種校準方法能較好的解決以上問題，大大提高波長的測量精度[7]。

2.2 軟件設計

在線監測系統軟件主要由波長采集、溫度轉換、數據存儲及數據圖形顯示等模塊組成。

2.2.1 波長與溫度轉換

由于被監測點的實時溫度值，對應于標定時采用的波長值。這就需要進行一定的波長—溫度轉換，從而更方便的完成系統溫度監測。具體做法是將光纖光柵傳感器放置于恒溫箱中，傳感器與解調儀依次連接。恒溫箱從5～60℃間隔5℃調節溫度一次，先降溫后升溫循環3 次。每個溫度點連續采集1 000次后取平均值作為該溫度點對應的波長值，實驗數據如表1 所示。

表1 5～60 ℃通道1傳感器溫度—波長對應關系

2.2.2 波長與溫度關系擬合

對表1中的1號傳感器的波長—溫度進行3次多項式擬合，擬合結果為：

式中，T為溫度值，l為解調儀返回的波長值。圖3和圖4分別為波長-溫度擬合曲線及其殘差。

圖3 波長-溫度擬合曲線

圖4 波長-溫度擬合殘差

由圖 3和圖 4可知，曲線擬合的標準差為0.248 46，擬合溫度值與實際溫度值之間的偏差如表2所示。結果表明，擬合值與實際值最大誤差只有0.106 5 ℃，完全滿足工程應用需要。

表2 擬合溫度值與實際溫度值比較

3 系統安裝及數據分析

設計好的光纖光柵溫度傳感器采用串聯的方式粘貼安裝在電力設備上，為防止光纖因外力碰撞造成損傷，傳感器置于該電力設備金屬波紋管內[8]。系統試運行一段時間后進行溫度數據分析，從圖 5記錄的各項監測數據中，可以看出溫度監測結果正常。

4 結語

文中主要介紹了光纖光柵溫度傳感原理，并且提出了一種基于DSP的光纖光柵溫度在線監測系統的設計方法，該系統硬件部分利用DSP技術構建了FBG解調模塊[9-10]，為保證測量精度，系統采用光纖梳狀濾波器進行校準。軟件部分通過波長采集、溫度轉換、數據存儲及數據圖形顯示等模塊實現了溫度的在線監測。目前，該系統已應用于電力設備的溫度監測，系統試運行的結果，證明了該系統能夠實現高速的信號處理以及高精度的波長解調，其監測點的溫度在線監測結果，驗證了系統的可靠性。

圖5 某監測點11月份監測數據

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