船用光纖光柵壓力溫度監測系統介紹

摘 要：光纖光柵傳感技術具有傳統傳感器無可比擬的優勢，在艦船的安全監測中具有很好的應用前景。本文介紹了一種船用光纖光柵傳感監測系統的原理、光纖光柵傳感器壓力和溫度雙參量測量原理及試驗。

關鍵詞：光纖光柵;傳感技術;雙參量;壓力溫度傳感

中圖分類號：U665.26

文獻標識碼：A

1 前言

隨著科技的發展，由機械式、壓電式等傳統傳感技術，逐漸向全光纖化的光纖光柵傳感技術進化。全光纖化的光纖光柵傳感器，插入損耗低、動態范圍大、線性度好、多參量、可靠性高、抗電磁干擾等優良特性非常適合應用于船舶領域中，對同一測點壓力、溫度、應變、振動等參數長期精確的動態測量。同時，利用波分、時分和空分復用原理，使探測系統的光纖光柵傳感器級聯數量達到成百上千個[1][2]，可有效的實現對全船各關鍵部位的長期精確監測。

船上各類機械設備在運行過程中，受到振動、沖擊、高熱和濕度的不利影響會產生突發故障，影響船舶的任務執行。因此，通過對工作期間的溫度、壓力、應變等參數進行長期監測，提前預判其健康狀況，在突發故障暴露之前進行有針對性的預防性維修，可有效的實現健康管理。研制應用于船舶使用環境、同一測點獲取壓力/溫度雙參量的高精度和高靈敏度測量和反饋信號的光纖光柵壓力溫度傳感監測系統，具有十分重要的意義。

2 光纖光柵壓力溫度監測系統

2.1 光纖光柵壓力溫度測量的理論基礎

采用Bragg光纖光柵技術，對溫度和壓力等各類宏觀物理量進行測量的理論基礎[1][4]為：利用Bragg光纖光柵自身受外界物理量變化（如溫度、壓力等），從而引起特定波長光的波長、頻率、強度等光參量發生相應變化的物理特性，通過監測光纖光柵所反射的特定波長光各項光參量的偏移值，進行適當的解調，即可以獲得相應的溫度、壓力等物理量信息。

光纖光柵中心反射波長，按下式計算：

λB =2N eff.A

（1）式中：λB為光纖光柵的中心反射波長;Neff為纖芯的有效折射率;A為光柵的周期。由公式（1）可知，當由于外界物理量的變化引起光柵有效折射率Neff或光柵周期A發生變化時，光纖光柵的中心波長λB隨之發生相應改變。

在自然界中，溫度和壓力往往會同時發生變化，對于光纖光柵來說，兩者的變化會引起各白獨立的波長偏移，且溫度和壓力同時變化時，光纖光柵中心反射波長的偏移率為代數疊加關系，即

當Pe、ζ、α等光纖光柵自身系數保持一定的情況下，軸向壓力應變8發生變化或溫度變量△T發生變化，都會導致其中心反射波長偏移率發生改變，壓力變化率和溫度變化率可以代數疊加，導致中心反射波長偏移率增加或者抵消。

2.2 光纖光柵壓力溫度監測系統

基于上述理論基礎，可以根據船舶環境特性，設計一套適用于船舶工作環境的光纖光柵壓力溫度實時監測系統。

整個傳感過程的系統圖，如圖1所示。

該系統由光纖光柵解調儀、監測顯示器、數根鎧裝光纜以及若干光纖光柵傳感器組成。為適應船舶上測量點位眾多且分布廣泛的特點，采用多通道+級聯串聯模式，即鎧裝光纜采用多通道布放，每個通道可級聯串接多個光纖光柵壓力溫度傳感器。

光纖光柵傳感系統的工作流程為：光纖光柵解調儀內置寬帶光源ASE發出原始寬帶光，通過一系列分光器件處理分成數束寬帶光源，經由數根鎧裝光纜傳輸到布置在各處的測量點位。具有不同中心反射波長的若干光纖光柵傳感器中，當測量部位的光纖光柵傳感器感受到溫度、壓力等物理量變化時，其反射的特定波長光就會發生波長偏移，經由鎧裝光纜反向傳輸，偏移光經光纖光柵解調儀內的信號解調，在監測顯示器上會實時顯示監測點位的溫度、壓力等變化信息。設置光纖光柵解調儀，可在長時間監測期間實現高低溫以及壓力超過正常值的聲音白動報警，為及時采取相應措施、保障系統安全運行提供參考。

從上述光纖光柵壓力溫度監測系統圖的流程可以看出，光纖的優勢在于具有傳感器和傳輸介質的雙重優點：作為傳感器具有探測靈敏、性能穩定的優點;作為傳輸介質具有在傳輸過程中不易受電磁環境干擾、信號損耗小、可遠距離傳輸的優點，這是傳統傳感方案無法比擬的。

近幾年來，國內外提出了許多采用光纖光柵傳感器同時測量溫度和壓力的實施方案，為船舶領域光纖光柵雙參量同時測量手段的實現奠定了基礎。

3 光纖光柵壓力溫度傳感器

由于船舶測量環境較為特殊，面臨高溫、高濕、空間狹小、振動劇烈等，通過選擇適當的封裝形式和襯底材料，可以制造出適應船舶使用環境的光纖光柵溫度壓力傳感器，在惡劣的環境里進行安裝布設;不同通道的串聯監測數據，可僅通過數條光纜傳輸到光纖光柵解調儀，極大地減少了傳感器至解調儀的線纜數量。

在需要得到同一測點管路內壓力和溫度兩個參量的高精度、高穩定度、高重復性和高靈敏度測量和反饋信號的特殊部位，可通過對傳感器頭進行合理的封裝、使用恰當的敏感元件以及選取合適的接口形式和布設安裝方式來達到準確測量。

為了適于安裝在液壓系統管道上進行監測，其主要部件均需用耐腐蝕材料，采用特殊密封工藝及進行過壓保護，以適應船上惡劣環境使用;同時，為了符合對壓力及溫度同時監測的要求，溫度、壓力可分離監測，且無須另加溫度傳感補償。

光纖光柵傳感器雙參量同時測量的丁作原理為：

傳感器端頭導壓孔采集到外界的壓力變化后，經由等強度梁將壓力信息傳遞到光纖光柵，導致其反射的特定波長發生偏移，從而測得實際壓力值;溫度的測量則通過對壓力變化進行代數疊加進而抵消后測得。具體實施方案為：將光柵封裝在彈性系數較好的等強度梁基底上，在傳感器端頭導壓孔感受到壓力產生形變時引起光柵周期變化，由此對壓力進行測量;同時在對稱設計的等強度梁上下表面，對稱粘貼兩只同參數光纖光柵，由于它們彼此相鄰，可以認為環境溫度變化對它們的影響是相同的。由于外界壓力變化引起的波長偏移量大小相等而符號相反發生抵消，這樣兩個光柵的反射波長偏移量的代數和將代表溫度變化量，從而可以分別測得壓力和溫度變化值。

基于以上理論，設計了一種壓力/溫度雙參量光纖光柵傳感器：其外部接口形式，采用類似管道壓力傳感器的外螺紋接口形式;其壓力測量范圍為0 - 30MPa，溫度測量范圍為-20℃- 120℃，測量精度分別為5‰和1℃。

光纖光柵傳感器的主要組成部分及作用為：

（1）壓力膜盒：引入外界壓力，并將其轉化為集中力;

（2）傳力件：力傳遞構件，將壓力膜盒產生的集中力作用到等強度梁的自由端;

（3）等強度梁：是傳感器的核心構件，上下表面對稱設計，其對稱部位分別粘貼兩個同參數光纖光柵，并由此測得管路內的壓力和溫度;

（4）外部殼體：對傳感器內部起保護作用，其材料采用不銹鋼材料，具有抗腐蝕等能力;

（5）光纖連接器：用于傳感器連接鎧裝光纜與解調儀及其它傳感器進行級聯。

在設計過程中，需要根據傳感器的使用條件進行綜合考慮，特別是船上使用環境。傳輸光纜需具有一定的強度，外加護套進行鎧裝，以防止外界硬物對傳輸光纖的損傷;光纖光柵傳感器串聯時，可以采用光纜熔接方式或用光纖連接器方式進行連接，為便于安裝維修，通常采用光纖連接器進行傳感器的串聯。

4 試驗研究

對光纖光柵傳感器進行標定試驗[3]：

（1）首先，在恒溫條件下使用加壓泵對光纖光柵壓力傳感器的壓力特性進行標定，采取步進方式加壓，即每勻速加壓4 MPa后，保持約5min恒壓穩定，然后繼續勻速加壓;逐步將壓力增加到30 MPa后進行減壓試驗，減壓過程也采取步進方式，壓力每勻速降低4MPa后，保持約5 min恒壓穩定，然后繼續勻速減壓。

由此測得光纖光柵壓力傳感器反射波長在溫度恒定的條件下，隨壓力變化的曲線（見圖2）。由圖2可知：隨著所施加壓力的變化，光纖光柵壓力傳感器中心反射波長的變化體現了良好的線性和重復性，相關系數均達0.999 88，并且幾乎沒有遲滯現象;在滿量程范圍內，光纖光柵壓力傳感器測量精度為5‰。

（2）使用溫控箱對光纖光柵壓力傳感器的溫度特性進行標定，獲得標準溫度值與光纖光柵系統監測溫度值，如表1所示。

5 結論

本文提出了一種船用光纖光柵壓力溫度監測系統，以及光纖光柵壓力和溫度雙參量同時測量的傳感器結構設計及試驗。該系統結構和安裝布設簡單，測量的分辨率高，適合于電磁場干擾嚴重、空間安裝狹小的使用場合。

光纖光柵監測系統應用在船舶上具有極大的優勢，如：船舶上空間狹小，隨著自動化的提高，傳感器數量急劇增加，光纖光柵傳感器體積小、穩定性好、抗電磁干擾、傳輸信息量大等特點，利于在船舶上使用。

但也存在下列問題：

（1）光纖光柵系統調制解調設備價格較貴，不利于大面積普及;

（2）適于船用環境的光連接器體積大，導致傳感器尺寸小的優勢減少;

（3）光纖光柵監測系統采用串聯方式級聯，減少了線纜數量，某一鄰近區域的各種物理量可通過同一傳感器同時測量，減少了測點和減輕了安裝壓力，但同時由于是串聯，各傳感器不能通用，導致備品備件數量增加，其費用也急劇增加。

參考文獻

[1]趙勇.光纖光柵及其傳感技術[M].北京：國防工業出版社，2007.

[2]阮揚.用于機載環境的光纖光柵壓力傳感器的研究[J].中國水運，2008，08（5）：117-118.

[3]張穎，劉志同，郭轉運，等.高靈敏度光纖光柵壓力傳感器及其壓力傳感特性研究[J].光學學報，2002，22（1）：89-91.

[4]朱丹丹，李偉欣，李志全，等.分布式光纖光柵應變和溫度同時測量系統[J].計量學報，2008，29（1）：29-32.