試論基于光纖光柵探測器的室內溫度檢測系統設計

郭 博

試論基于光纖光柵探測器的室內溫度檢測系統設計

郭 博

為了精確、穩定地獲得糧倉內大范圍的溫度分布，設計了光纖布拉格光柵測溫系統。系統通過光纖網絡對糧倉內進行大范圍溫度檢測，利用光纖布拉格光柵所測溫度與中心波長之間存在線性的關系，根據光譜線性頻移函數獲得倉內各位置的精確溫度。其中每個光柵的工作波長相互分開，經3dB的耦合器反射后，再用波長探測解調系統對多個光柵的線性頻移進行測量，即可檢測出倉內各處的溫度。實驗采用FBG封裝的光纖、LPT-101型光源、放大處理電路等設備獲得采集得到的溫度信息。通過Origin軟件畫出了被測溫度與波長頻移的關系圖，同時與傳統的測量方法K型熱電偶的測量數據進行比較。實驗結果顯示，光纖布拉格光柵測得溫度與標準溫度更接近，且抗干擾能力更強，滿足糧倉內大范圍溫度監測的要求。

光纖布拉格光柵 溫度檢測光 譜線性頻移 糧倉

溫度檢測在很多領域都有應用，生產廠房的溫度檢測、住宅區的室溫控制、農業生產中溫室大棚的恒溫監控等。目前，國內外對于溫度檢測的主要方法有：熱電偶型測溫系統，具有結構簡單，探測區域大的特性，而其屬于接觸式測量，易污染、精度較低。數字集成溫度探測芯片，該溫度探測器功耗低、體積小，常應用于單點探測，在多點位大范圍測試中誤差較大。除此之外，光纖測溫器也是一個常見類型，其靈敏度高、適合遠距離檢測，但多路檢測測量難度大、工藝復雜、價格高；半導體吸收式光纖溫度傳感器溫度監測系統，其優點是將光纖僅用于傳輸，測量采用其他光學或機械的元件完成，監測被測溫度的變化；智能（數字）溫度傳感器溫度監測系統，其內部包含處理芯片，適用于測溫位置在線處理的場合。我國傳統的內部溫度測量方法是直接將溫度計插入糧食中檢測，工作量大、效率低、精度差；除此之外，國內還有采用基于PN結或熱敏電阻的溫度檢測系統，但其傳統電路設計上存在干擾、濾波不穩定，線路復雜等問題。而測溫電纜技術在實際應用中不但工藝復雜，且部分結構需要專用設備，十分不便。

相比之下，采用波長調制的光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）傳感器避免了溫度測試信號受光源變動、光纖損耗等的影響；采用波分復用技術在一根光纖中串入多個布拉格光柵實現分布式測量，大大降低了系統復雜度；采用光譜線性頻移的監測手段，測量精度高、范圍廣、分布密度大。本文在采用分布式光纖布拉格光柵結構的基礎上，利用光纖布拉格光柵所測溫度與中心波長之間的線性函數關系，提出了一種通過光譜線性頻移反演分布式糧溫的新方法，提高了檢測精度、溫控范圍和溫度數據密度。

一、溫度探測系統設計

系統采用了一種新的分布式光纖布拉格光柵測溫方法，即通過光纖布拉格光柵溫度探測器對糧倉各處的局部溫度進行監測。由于光譜線性頻移程度與被測溫度存在函數關系，即中心波長與被測溫度之間呈線性關系。分布式光纖探測系統是可從整體上大范圍地對被測物理量的變化進行監測的探測網絡。本文采用的是分布式光纖布拉格光柵探測結構，根據系統性能，建立了糧倉的數學模型。處理器控制寬帶光源發射探測光，通過耦合器進入多組光纖通道，每組光纖通道中設置光纖光柵探測器，在糧倉內網絡式分布，從而獲得糧倉內各處的糧溫數據。回波信號經解調儀解調，將帶有溫度信息的數據傳給處理器，經過處理器將糧倉各位置糧溫數據顯示在控制臺上。

二、光纖光柵基本原理

在光纖光柵之前，將在平面光波導中沿入射光傳播方向制作的多層介質結構，即布拉格光柵。光纖中的光柵反射實際上是一種層狀介質的反射，由光纖中沿軸向分布的多層介質結構構成光纖布拉格光柵。

常用的電類溫度傳感器有熱敏電阻溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器，其極易受外界的電磁干擾，會由于測量距離、輻射系數等因素導致測量精度降低。而光纖光柵溫度傳感器不僅具有普通光纖溫度傳感器的優點，還有光譜特性好、損耗率低及穩定性高等特點，且波長編碼信息不受光源功率波動或耦合損耗等的影響。同時，在一根光纖中可設置多個光柵，使光柵陣列信息量大，結合波分復用等技術非常適合大范圍的分布式網絡化的糧溫監測。

光纖布拉格光柵探測器中的寬譜光源可采用面發光二極管SLED或放大自發輻射光源ASE等，光傳輸及轉換部分由光耦合器或光環形器構成。當光源系統發出一定帶寬的光入射到光纖光柵后，由于光纖光柵對中心波長具有選擇作用，只有符合波長關系的光被才會被反射，并再次通過光傳輸結構送入解調裝置解調，最后解調光會體現出光纖光柵反射波長的變化特性。當利用光纖布拉格光柵原理檢測糧倉內局部糧溫時，由于糧溫變化引發的光柵自身的折射率或柵距的改變會使反射波長產生相應的變化，最終對由解調器檢測得到的波長變化推導計算即可求得相應位置實時的糧溫數據。探測器獲得的尖峰波長隨著糧溫的變化持續變化，探測器帶寬是指光纖布拉格光柵反射峰對應的帶寬，其檢測精度越高，則帶寬就越小，由于工藝水平的限制，一般在0.2～0.3 nm之間。

三、解調儀

光纖布拉格光柵采用波長調制，對布拉格波長移動的檢測獲取糧溫變化信息的重要步驟。目前國內外實用化的解調技術主要有：采用可調諧F-P濾波器和寬帶光源掃描傳感光纖光柵的反射譜；采用大功率可調諧窄帶激光源對傳感光纖光柵進行波長掃描；采用建立在色散元件和陣列相結合基礎上的光譜成像技術進行波長分析。ASE光源發出的寬帶光經過F-P（Fabry-Perot）濾波器，因為不同的掃描電壓所對應的中心波長各有不同。在掃描電壓的控制下，窄帶光穿過F-P濾波器，其中透射光經耦合器的分光后，產生多個可與測量通道相接的光路，3個測量通道的反射光回波信號被光電探測器采集從而獲得反射譜。這些反射譜都是電壓信號，被放大濾波后傳輸給信號采集模塊，最終導入計算機，從而解調出糧溫信息。

四、結束語

本文針對糧倉內大范圍的糧溫實時監測困難大，設計了基于光纖布拉格光柵測溫原理的分布式糧溫網絡監測系統。系統根據光纖布拉格光柵所測溫度與中心波長之間存在線性的關系，利用光譜線性頻移函數獲得倉內各位置的精確溫度。實驗采用LPT-101型光源、FBG封裝的光纖及處理電路等獲得模擬糧倉中的分布溫度數據。通過計算光譜線性頻移量及溫度標定的方法獲得對應處溫度信息，再由Origin軟件畫出了被測溫度與波長變化的關系圖，與傳統的K型熱電偶單點測溫方法進行比較。實驗結果顯示，光纖布拉格光柵測溫法的精度滿足設計要求，且具備抗干擾能力強，可獲得大范圍多點的實時糧溫數據。