基于窄帶激光器解調技術的光纖光柵測溫系統

哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院 劉 杰 程武林 譚婕妤 劉珈辰

1 引言

隨著城市電網中電力電纜的份額日益增大，大量的電力電纜敷設在距離較長且復雜的電纜溝和電纜井內，并且長期運行在高電壓、強電流的環境下，電纜爆炸、起火等事故時有發生[1]。在已發生的事故中，大部分是由于溫度過高或設備溫度過熱引起，對電力設施早期的溫度檢測進行預警并采取相應的措施，可以有效的減少此類事故的發生[2]。由于電力系統中的設備大都處于強電磁場中，傳統的溫度傳感器易受到電磁干擾，無法實現精密測量，而紅外輻射測溫由于不具備掃描功能和儀器本身測溫距離的限制存在很大的局限性，無法解決電氣設備內部溫度的實時監測 問題[2～3]。光纖布拉格光柵（FBG Fiber Bragg Grating）傳感器具有光纖兼容性、具有低功耗、抗電磁干擾、體積小、易于復用等優點，因此光纖傳感器被廣泛應用于電力系統的溫度測量中[4～5]。

FBG傳感技術中最重要的技術是對FBG波長信息的檢測技術，即對FBG傳感器反射光譜進行實時監測得到FBG傳感器的中心波長[6]，它直接影響FBG傳感器的測量精度問題。目前，常用的FBG波長解調技術有干涉法、匹配光柵濾波法[7]、可調諧F-P腔濾波法[8]、非平衡Mach-Zehnder干涉法[9～10]、CCD測量法和光柵啁啾解調法[11]。其中，匹配光柵濾波法結構簡單、成本較低，但系統調諧范圍小，檢測靈敏度由PZT位移靈敏度決定，PZT的非線性對輸出結果影響較大，且系統光損耗較大[12]；可調諧F-P腔濾波法精度較高，且價格昂貴；非平衡Mach-Zehnder干涉法響應速度快，分辨率高，其不足在于解調精度非線性，解調范圍較小，易受外界干擾[12]。本文采用以分布式反饋半導體（DFB）窄帶激光器為動態光源掃描FBG的解調方法，相比于寬帶光源可顯著提高輸出波長的光功率，使其具有較高的信噪比和分辨率，且測溫系統結構簡單，容易實現[13]。

2 基本原理

2.1 光纖光柵傳感基本原理

光纖布拉格光柵是光纖內的芯內體光柵，形成于一段范圍內纖芯折射率的周期性變化，具有高反射率和窄反射帶寬。當FBG的一端入射光源時，由于纖芯折射率發生了周期性變化，所以纖芯中向前和向后傳輸的光波相耦合。在滿足布拉格條件下會發生選擇性反射；光纖光柵的中心波長與光柵周期和反向耦合模的有效折射率有關，其中任意兩個參量的改變都會引起FBG波長的變化。光纖光柵的波長表達式[14]如公式（1）所示：

式中為反射光波長，為纖芯的有效折射率，Λ為光柵周期。當光柵所處環境的溫度 T 變化時，光纖光柵的周期或纖芯折射率均改變，將等式兩邊同時對 T 作微分運算，得到光纖布拉格光柵的溫度傳感基本表達式，如公式（2）所示：

式中ζ 為光纖光柵折射率的溫度系數（熱光系數），α為光纖光柵的線性熱膨脹系數。設，其中KT為光纖布拉格光柵的溫度靈敏度系數。溫度變化引起光纖光柵中心波長改變，如公式（3）所示：

當外界溫度等物理量變化時，反射光的波長會隨之發生改變。對于摻鍺的普通單模石英光纖，熱光系數線性熱膨脹系數光纖光柵相對溫度靈敏系數可以通過檢測光纖光柵的中心波長變化得到外界溫度變化[15]。

2.2 DFB激光器波長解調原理

DFB激光器通過內置光纖布拉格光柵構成諧振腔，利用光柵的分布反饋從而實現縱模選擇，在溫控電壓的控制下可以實現波長可調諧。本系統采用的是分布式反饋（DFB）窄帶激光器為動態光源掃描FBG的解調方法，DFB激光器及FBG光譜如圖1所示，DFB激光器光譜線寬約為0.001pm，FBG的光譜線寬約為0.2nm，所以相對于FBG光譜，DFB激光器光譜極窄。FBG光譜在溫度變化的過程中發生位置漂移，調諧DFB激光器中心波長，使DFB中心波長跟蹤FBG光譜變化，由于FBG中心波長與溫度信息有線性的對應關系，通過調整DFB激光器的溫控電壓控制DFB的中心波長，當DFB激光器中心波長與FBG波長重合時，如圖中A位置，此時通過光電放大獲取最大電壓峰值。根據此時的溫控電壓可以確定此時DFB激光器的中心波長，也就是FBG中心波長，所以可以從中獲取溫度信息，實現窄帶激光器高精度解調。

圖1 DFB激光器解調原理Fig.1 The demodulation principleof DFB laser

光纖光譜和激光器光譜都符合高斯函數分布，分別表示為F(λ)和S(λ)，如公式（4），（5）所示[16]

式中：y0，F0為背景反射率；bF，bS為FBG和激光器的3dB帶寬；λF，λS為FBG和激光器中心波長。DFB激光器發出的光經過FBG邊帶反射，反射回的光強為和的卷積運算，經光電放大后得到電壓信號，如公式（6）所示：

由于FBG的3dB帶寬為0.2nm左右，而DFB激光器的3dB帶寬為0.001pm，因此式（6）可簡化[17]，如公式（7）所示：

式中：β是常數，它包括光源光強、耦合器分光比、光電路損耗和光電放大倍數等轉換系數[18]。

以波長連續變化的激光器周期性的掃描FBG光纖光柵，得到的光電放大信號如公式（7）所示，當λF和λS相等時，光電放大輸出的電壓信號最大，此時DFB激光器的中心波長與FBG光纖光柵的中心波長相同。由于DFB激光器的中心波長與它的控制電壓有線性對應關系，因此根據此時的控制電壓，就可以得到DFB激光器此時的中心波長，即FBG的中心波長，從而解析出此時溫度的信息。

3 系統設置

3.1 系統硬件設計

光纖光柵測溫系統硬件框圖如圖2所示，包括DFB激光器、溫度控制器、驅動電路、耦合器、光纖光柵溫度傳感器、光電放大器和STM32主控板。系統使用的DFB激光器采用14腳蝶形封裝，中心波長范圍1550.00±0.4nm(25℃) ，帶寬為0.001pm；溫度控制器采用由linear公司的DC388B溫度控制器；驅動電路采用LM317集成電路；光電放大器采用THORLABS公司的PDA10CS-EC型號的InGaAs Amplified Detector。

圖2 光纖光柵測溫系統結構框圖Fig.2 Fiber Bragg grating temperature measuring system structure diagram

光纖光柵測溫系統由三個部分組成：DFB激光器及其控制電路，光纖光柵傳感器以及STM32主控系統。DFB激光器在驅動電路和溫度控制器的作用下發出波長可調諧激光，窄帶激光通過耦合器入射到FBG光纖光柵上，只有滿足布拉格條件的入射光被反射，反射光通過耦合器進入光電轉換放大器中，光電轉換放大器將光信號轉換為電信號，進入STM32主控板中，同時主控板產生的三角波調諧DFB激光器中心波長，控制激光器對FBG光柵進行掃描，并執行尋峰算法，獲取與溫度實時對應的FBG中心波長，當捕捉到FBG中心波長的峰值時，采集中心波長并進行數據運算，獲取實時的溫度信息。

DFB激光器及其控制電路：光源部分采用是分布反饋式窄帶激光器，其中心波長范圍1550.00±0.4nm，帶寬為0.001pm。分布反饋式激光器最大的優勢是單色性非常好，光譜非常純凈，并且具有較高的邊模抑制比，在該系統中應用的是中心波長為1550.17nm的DFB窄帶激光器，輸出電流在80mA，性能非常良好。驅動電路采用LM317構成的恒流驅動，同時設計有保護電路以防止輸出電壓大于2v，避免尖峰電流或者尖峰電壓對激光器產生損壞。溫度控制器采用以LTC1923為核心的DC388B溫度控制電路，激光器內部的環境溫度可以被設置成不同于外界環境的溫度，通過主控板輸出溫度控制電壓，可以實現溫度以0.05oC為基本單位非常精細地控制，從而實現激光器中心波長非常小的偏移量，板內有14位的LTC1658數模轉換芯片，可以實現對于FBG光柵的精確掃描。通過光譜儀觀測到的光譜特性如圖3所示。

圖3 DFB激光器光譜特性Fig.3 DFB laser spectral characteristics

光纖光柵傳感器：在本系統中，采用光纖布拉格光柵作為溫度傳感器對溫度進行測量，其中心波長范圍1549.5±0.2nm。利用FBG對于溫度的敏感特性，將溫度的變化信息調制到FBG光纖光柵波長信息的變化當中。FBG光纖光柵的光譜圖如圖4所示。

STM32主控系統：控制器以STM32F103RCT6為核心，通過編寫程序產生1V～2V的三角波作為連續變化的參考電壓，對激光器溫控電路進行數字量的調節，產生周期性的窄帶激光對FBG光柵進行掃描；并通過采集光電放大器的輸出信號，通過系統數據處理及算法分析捕捉FBG光纖光柵的峰值，計算出當前FBG的中心波長，通過其與溫度的線性關系計算出當前溫度信息。

圖4 FBG光纖光柵的光譜圖Fig.4 FBG spectrum of fiber grating

3.2 系統軟件設計

STM32主控板中程序流程圖如圖5所示。

圖5 光纖光柵測溫系統算法程序流程圖Fig.5 Fiber grating temperature measuring system algorithm program flow chart

通過主控系統產生的三角波對DC388B的參考電壓進行數字調節，使激光器的中心波長連續、可調諧并能周期性的掃描光纖光柵，通過板載的ADC對光電放大器輸出的電壓信號采樣，利用尋峰算法得到峰值對應的電壓信號，最后由溫度-峰值波長擬合關系式得到光纖光柵所處環境的溫度值。

程序設計了兩段三角波的調控狀態，這樣做會使系統響應的時間變長，但可以避免掃描到峰值電壓時，因掃描電壓急速下降導致激光器損壞。程序中加入的上位機可以通過串口與主控板通信，可以對擬合系數等值實時的做出調整。

4 分析與討論

實驗過程中，先通過主控系統對DC388B芯片參考電壓進行數字調節，并在光譜儀（采用日本橫河公司的AQ6370型號的光譜儀）上觀察DFB激光器的光譜特性，通過觀測光譜得出結論，只有在參考電壓大于1.2v且小于1.8v時，DFB激光器的波形正常，且窄帶特性良好。通過對參考電壓的精確控制，使溫控電壓由1.2v增加到1.8v，以步長為0.05V增長，記錄每個參考電壓所對應的中心波長；多次測量求波長的平均值。將得到的DFB激光器中心波長數據進行擬合，如圖6所示。

圖6 參考電壓與激光器中心波長的關系Fig.6 The relationship between the reference voltage and the laser wavelength

圖6中電壓-波長的擬合關系式如公式（8）所示：

由于溫度控制器內LTC1658是14位的DA芯片，因此主控板數字調節的最小電壓為0.0003v，所對應的DFB激光器中心波長的最小改變量為1pm，由于實驗中采用的光譜儀的最小分辨率為20pm,因此可以觀測的最小波長變化位20pm。

對于光纖光柵測溫系統，確定光纖光柵中心波長與溫度的對應關系是解調系統實施的關鍵。因此這部分主要采用數據標定的方法。將FBG光纖光柵放入特定的溫控水槽中（采用HH-1型號的單孔數顯恒溫水浴槽，其功率為300W，溫度控制精度為±0.5℃，控制溫度范圍為0～100℃），使溫度值由50開始，溫度每上升2℃測量一次數據，為保證數據準確性，每次的測量要經過十分鐘后再記錄數據。每個溫度點經過多次測量并求平均值，所得的數據保留三位小數，以減小系統誤差。圖7是FBG光纖光柵中心波長與溫度間的擬合后的關系。

圖7中溫度-波長的擬合關系式如公式（9）所示：

通過公式（8）和公式（9）可得到參考電壓與溫度的確定關系式如公式（10）所示：

由式（9）可知，溫度每改變1℃，FBG中心波長改變10.2pm，由式（8）中可得DFB激光器波長最小改變量為1pm，溫度靈敏度可以達到0.1℃，與理論值相符，提高實驗的溫控箱控制精度，可以達到0.1℃的分辨率。通過公式（10）可解調出當前溫度值。

5 結論

本文設計了一種基于光纖光柵傳感器和DFB激光器的溫度檢測系統，系統結構簡單緊湊，測量誤差小，成本低。采用窄帶激光程控調諧掃描的方式實現系統解調，給出了控制電壓與光纖光柵中心波長的線性關系，測量溫度靈敏度可以達到0.1℃，可實現的溫度測量范圍是20～90℃，可應用于多種溫度測量場合，在電力設施溫度檢測方面有著廣闊的應用價值。

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