改進型測溫檢測校正方法研究

劉智超　楊有松　劉赟　張婉儀

【摘 要】在光纖布拉格光柵測溫網絡中，需要對溫度測試系統進行校正，因為在測試過程中，光纖中的回波波長會被展寬，同時受到影響而發生偏移，所以需要有必要的校正才能獲得準確的溫度測試數據。通過理論分析和計算，對波長的偏移校正方法進行了設計，并應用于實驗中，實驗結果顯示，測試溫度與回波中心波長的函數關系為每40pm對應大約1.0℃的變化，系統測試結果穩定。

【關鍵詞】測溫系統；溫度校正；波長偏移計算

0 引言

生產生活中溫度檢測已經被普遍的使用，而且根據不同的探測原理制成的產品也屢見不鮮，然而隨著科學技術的不斷迅猛發展，對溫度檢測的要求也與日俱增[1]。在有機化學反應控制、精密部件合成、高效炸藥熔鑄等過程中，對于實時高精度溫度檢測和控制、連續多點位具有著重要的意義，因此掀起了高穩定性、多點式、高精度測溫系統的研究熱潮。

當前，常見的測溫技術主要有：熱電偶測溫計、壓力型測溫儀、光纖布拉格光柵溫度檢測系統、數字測溫儀、光纖測溫系統和熱電阻測溫器[2]。熱電偶測溫計的優點有響應速度快、測量溫度范圍大、制造成本低，但是有易受到電磁干擾的影響、精度低且易老化的缺點；壓力型測溫儀抗電磁干擾的能力強、體積小，但是其明顯受到外力的影響、而且響應速度慢；光纖布拉格光柵溫度檢測系統有成本低、制作簡單、抗電磁干擾的能力強的優點，而有穩定性較差、精度中等的缺點；數字測溫儀具有體積小、穩定性高等優點，但其的制造成本高、以及易受到電磁干擾影響，并且不適合用于液體環境的溫度測試；光纖測溫系統抗電磁干擾能力強、穩定性好、精度高，但其制作工藝復雜而且成本高；響應速度快、穩定性好、精度高；是熱電阻測溫器的優點，但是其有抗振能力差、熱慣性大的缺點。

總而言之，從適用范圍和測量精度來觀察，基本滿足以上要求的測溫系統是光纖布拉格測溫系統，但是它仍還需要進行改善和優化，讓它的溫度響應穩定性差的缺點可以得到改善，進而使其的溫度變化量和波長偏移量之間的函數關系更加的穩定，而且系統的測量精度也可以大大提高[3]。對現有的光纖布拉格光柵溫度檢測系統進行優化改進是本文的主要研究內容，從而實現降低非線性誤差、提高測溫精度和系統穩定性的目的。

1 整體結構設計

針對傳統的光纖布拉格光柵測溫網絡，經過寬帶光源輸出的激光信號，再將激光回波信號從耦合器進入解調儀，然后解調儀采集的信號進入電腦，電腦完成一系列的數據處理，這樣就完成了待測區域的溫度檢測。因為光纖探頭分布的環境條件各不相同，而且位置也各不同，所以各個探頭的溫度差異、受力情況都不同，因此測試過程中的系統穩定性較低，最突出的是在外力作用不平衡時，在各點位置的所得的實質參數不均勻，從而使測試溫度出現了誤差。為了解決上面的問題，進而提出了差分校正處理的方法，是將兩組的光纖傳感網絡同步使用，然后再進行差分處理，因此這樣可以約掉相同干擾項產生的溫度誤差。

把原本獨立的光纖布拉格光柵測溫模塊的根本上添加了一系列的校正用的測溫模塊，從而形成了差分校正的光纖布拉格光柵測溫網絡系統。具體的操作過程如下：是將光纖分路器和寬帶光源相連接，可以將光信號分為同等能量的兩部分，并且分別進入光纖A和光纖B。光纖A和光纖B分別和它對應的光纖耦合器連接，從而組成兩組探測光纖和回波光纖。兩組探測光纖分別和解調儀的兩個輸入端相連，最后完成被測區域同點位的溫度測試，通過將兩根光纖并列引入被測區域。因為在光纖A中的光纖探頭的光柵間隔為DA，其回波中心波長是A，然而在光纖B中的光纖探頭的光柵間隔為DB，其回波中心波長是B。因為兩組測試數據的光柵間隔不同，所以它的波長偏移量也不大相徑庭，但是由于兩個測試的位置一樣，所以它收到環境的干擾條件（包括溫度瞬變、外力作用等）相同。換而言之不同的回波波長偏移量是由相同環境和同一組光源組成的，所以，在這種情況作為的前提條件下，可以對兩組的回波數據進行差分校正補償，進而由該點位環境干擾造成的溫度誤差被極大的降低了，而且提升了系統的準確性和穩定性。

2 理論分析及測試結果

在差分校正的光纖布拉格光柵測溫網絡系統中，需要將光纖A和 光纖B對應的測溫偏移函數解出，再完成數據差分運算，才能實現對已有溫度數據進行校正。根據波導理論可知，回波中心波長是=2n（d），可得兩組光纖的回波中心波長偏移為A=KTAT和B=KTBT。其中，KT1、KT2分別表示光纖A和的光纖B的光纖光柵溫度響應系數，T表示溫度變化值。

經解調儀輸出的回波光得到其光譜分布函數，包括光纖A的回波中心波長及其偏移效果和光纖B的回波中心波長及其偏移效果。實驗數據可以看出兩組回波數據的光譜分布形態基本相同。但光纖A和光纖B檢測得到的中心波長不一致，分別是1529.352nm和1530.237nm。雖然同為一個點位，但是由于光柵間隔的不同，所以具有不同的測試效果，但由于環境的影響一致，因此其光譜測試偏移量的程度是一致的。所以，該點位上的測度測試偏移誤差量可以根據差分校正算法獲取，來作為修正測溫網絡的參考數據。

通過對測試數據的分析，在溫度與回波中心波長產生的偏移量之間大概產生40pm的偏移，溫度變化了1.0℃。傳統型測溫系統測試的數據和標準值靠近，平均誤差為1.87%，然而采用了差分校正數據處理的溫度測試的平均誤差為0.47%。證明了采用差分校正方法后，對溫度檢測的準確性提高起到了作用。而且，當某些局部存在不均衡外力作用時，測量數據的穩定性被差分校正型光纖布拉格光柵測溫網絡系統較好地保持，同時驗證了系統的可行性和它的優勢。

3 結論

通過設計采用差分校正的光纖布拉格光柵測溫網絡系統，來克服傳統光纖布拉格光柵測溫網絡抗干擾能力弱的缺點。局部環境造成的誤差被系統通過傳統光纖光柵和校正光纖光柵探頭的差分處理從而消除掉了。實驗采用溫度控制箱來改變，是將環境溫度每1.0℃的改變，從20.0℃80.0℃的范圍內變化。由實驗結果可知，大約每1.0℃的溫度變化，溫度和回波中心波長產生的偏移量之間將會產生40pm的偏移。差分校正型測溫系統的溫度檢測誤差明顯優于傳統方法，因為該方法具有更高的系統穩定性，而且受局部環境的影響更小。

【參考文獻】

[1]劉智超，楊進華，王高.FBG測溫系統的光譜校正算法的研究[J].光譜學與光譜分析，2014，34（7）：1793-1795.

[2] 王文成.分布式糧倉溫度實時監測系統的設計[J].儀表技術與傳感器，2010（11）：50-52.

[3]Alvaro Hernandez，Jesus Urena，Manuel Mazo，Juan J.Garcia.Reduction of blind zone in ultrasonic transmitter/receiver transducers[J].Sensor and Actuators A，2007，133（2）：96103.

[責任編輯：侯天宇]