劉智超　楊有松　劉赟　張婉儀

【摘 要】在光纖布拉格光柵測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)中，需要對(duì)溫度測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校正，因?yàn)樵跍y(cè)試過(guò)程中，光纖中的回波波長(zhǎng)會(huì)被展寬，同時(shí)受到影響而發(fā)生偏移，所以需要有必要的校正才能獲得準(zhǔn)確的溫度測(cè)試數(shù)據(jù)。通過(guò)理論分析和計(jì)算，對(duì)波長(zhǎng)的偏移校正方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，測(cè)試溫度與回波中心波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系為每40pm對(duì)應(yīng)大約1.0℃的變化，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】測(cè)溫系統(tǒng)；溫度校正；波長(zhǎng)偏移計(jì)算

0 引言

生產(chǎn)生活中溫度檢測(cè)已經(jīng)被普遍的使用，而且根據(jù)不同的探測(cè)原理制成的產(chǎn)品也屢見(jiàn)不鮮，然而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷迅猛發(fā)展，對(duì)溫度檢測(cè)的要求也與日俱增[1]。在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)控制、精密部件合成、高效炸藥熔鑄等過(guò)程中，對(duì)于實(shí)時(shí)高精度溫度檢測(cè)和控制、連續(xù)多點(diǎn)位具有著重要的意義，因此掀起了高穩(wěn)定性、多點(diǎn)式、高精度測(cè)溫系統(tǒng)的研究熱潮。

當(dāng)前，常見(jiàn)的測(cè)溫技術(shù)主要有：熱電偶測(cè)溫計(jì)、壓力型測(cè)溫儀、光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)字測(cè)溫儀、光纖測(cè)溫系統(tǒng)和熱電阻測(cè)溫器[2]。熱電偶測(cè)溫計(jì)的優(yōu)點(diǎn)有響應(yīng)速度快、測(cè)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(diǎn)；壓力型測(cè)溫儀抗電磁干擾的能力強(qiáng)、體積小，但是其明顯受到外力的影響、而且響應(yīng)速度慢；光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)有成本低、制作簡(jiǎn)單、抗電磁干擾的能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而有穩(wěn)定性較差、精度中等的缺點(diǎn)；數(shù)字測(cè)溫儀具有體積小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，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(huán)境的溫度測(cè)試；光纖測(cè)溫系統(tǒng)抗電磁干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、精度高，但其制作工藝復(fù)雜而且成本高；響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、精度高；是熱電阻測(cè)溫器的優(yōu)點(diǎn)，但是其有抗振能力差、熱慣性大的缺點(diǎn)。

總而言之，從適用范圍和測(cè)量精度來(lái)觀察，基本滿(mǎn)足以上要求的測(cè)溫系統(tǒng)是光纖布拉格測(cè)溫系統(tǒng)，但是它仍還需要進(jìn)行改善和優(yōu)化，讓它的溫度響應(yīng)穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)可以得到改善，進(jìn)而使其的溫度變化量和波長(zhǎng)偏移量之間的函數(shù)關(guān)系更加的穩(wěn)定，而且系統(tǒng)的測(cè)量精度也可以大大提高[3]。對(duì)現(xiàn)有的光纖布拉格光柵溫度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)是本文的主要研究?jī)?nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)降低非線(xiàn)性誤差、提高測(cè)溫精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)的光纖布拉格光柵測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)寬帶光源輸出的激光信號(hào)，再將激光回波信號(hào)從耦合器進(jìn)入解調(diào)儀，然后解調(diào)儀采集的信號(hào)進(jìn)入電腦，電腦完成一系列的數(shù)據(jù)處理，這樣就完成了待測(cè)區(qū)域的溫度檢測(cè)。因?yàn)楣饫w探頭分布的環(huán)境條件各不相同，而且位置也各不同，所以各個(gè)探頭的溫度差異、受力情況都不同，因此測(cè)試過(guò)程中的系統(tǒng)穩(wěn)定性較低，最突出的是在外力作用不平衡時(shí)，在各點(diǎn)位置的所得的實(shí)質(zhì)參數(shù)不均勻，從而使測(cè)試溫度出現(xiàn)了誤差。為了解決上面的問(wèn)題，進(jìn)而提出了差分校正處理的方法，是將兩組的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)同步使用，然后再進(jìn)行差分處理，因此這樣可以約掉相同干擾項(xiàng)產(chǎn)生的溫度誤差。

把原本獨(dú)立的光纖布拉格光柵測(cè)溫模塊的根本上添加了一系列的校正用的測(cè)溫模塊，從而形成了差分校正的光纖布拉格光柵測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。具體的操作過(guò)程如下：是將光纖分路器和寬帶光源相連接，可以將光信號(hào)分為同等能量的兩部分，并且分別進(jìn)入光纖A和光纖B。光纖A和光纖B分別和它對(duì)應(yīng)的光纖耦合器連接，從而組成兩組探測(cè)光纖和回波光纖。兩組探測(cè)光纖分別和解調(diào)儀的兩個(gè)輸入端相連，最后完成被測(cè)區(qū)域同點(diǎn)位的溫度測(cè)試，通過(guò)將兩根光纖并列引入被測(cè)區(qū)域。因?yàn)樵诠饫wA中的光纖探頭的光柵間隔為DA，其回波中心波長(zhǎng)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(zhǎng)是B。因?yàn)閮山M測(cè)試數(shù)據(jù)的光柵間隔不同，所以它的波長(zhǎng)偏移量也不大相徑庭，但是由于兩個(gè)測(cè)試的位置一樣，所以它收到環(huán)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(zhǎng)偏移量是由相同環(huán)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(duì)兩組的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行差分校正補(bǔ)償，進(jìn)而由該點(diǎn)位環(huán)境干擾造成的溫度誤差被極大的降低了，而且提升了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2 理論分析及測(cè)試結(jié)果

在差分校正的光纖布拉格光柵測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，需要將光纖A和 光纖B對(duì)應(yīng)的測(cè)溫偏移函數(shù)解出，再完成數(shù)據(jù)差分運(yùn)算，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)已有溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。根據(jù)波導(dǎo)理論可知，回波中心波長(zhǎng)是=2n（d），可得兩組光纖的回波中心波長(zhǎng)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(yīng)系數(shù)，T表示溫度變化值。

經(jīng)解調(diào)儀輸出的回波光得到其光譜分布函數(shù)，包括光纖A的回波中心波長(zhǎng)及其偏移效果和光纖B的回波中心波長(zhǎng)及其偏移效果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出兩組回波數(shù)據(jù)的光譜分布形態(tài)基本相同。但光纖A和光纖B檢測(cè)得到的中心波長(zhǎng)不一致，分別是1529.352nm和1530.237nm。雖然同為一個(gè)點(diǎn)位，但是由于光柵間隔的不同，所以具有不同的測(cè)試效果，但由于環(huán)境的影響一致，因此其光譜測(cè)試偏移量的程度是一致的。所以，該點(diǎn)位上的測(cè)度測(cè)試偏移誤差量可以根據(jù)差分校正算法獲取，來(lái)作為修正測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)的參考數(shù)據(jù)。

通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，在溫度與回波中心波長(zhǎng)產(chǎn)生的偏移量之間大概產(chǎn)生40pm的偏移，溫度變化了1.0℃。傳統(tǒng)型測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)試的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)值靠近，平均誤差為1.87%，然而采用了差分校正數(shù)據(jù)處理的溫度測(cè)試的平均誤差為0.47%。證明了采用差分校正方法后，對(duì)溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性提高起到了作用。而且，當(dāng)某些局部存在不均衡外力作用時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性被差分校正型光纖布拉格光柵測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)較好地保持，同時(shí)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和它的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)采用差分校正的光纖布拉格光柵測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，來(lái)克服傳統(tǒng)光纖布拉格光柵測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力弱的缺點(diǎn)。局部環(huán)境造成的誤差被系統(tǒng)通過(guò)傳統(tǒng)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(shí)驗(yàn)采用溫度控制箱來(lái)改變，是將環(huán)境溫度每1.0℃的改變，從20.0℃80.0℃的范圍內(nèi)變化。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，大約每1.0℃的溫度變化，溫度和回波中心波長(zhǎng)產(chǎn)生的偏移量之間將會(huì)產(chǎn)生40pm的偏移。差分校正型測(cè)溫系統(tǒng)的溫度檢測(cè)誤差明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法，因?yàn)樵摲椒ň哂懈叩南到y(tǒng)穩(wěn)定性，而且受局部環(huán)境的影響更小。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉智超，楊進(jìn)華，王高.FBG測(cè)溫系統(tǒng)的光譜校正算法的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2014，34（7）：1793-1795.

[2] 王文成.分布式糧倉(cāng)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)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(zé)任編輯：侯天宇]