孫 琪，徐子奇，劉智超,2，王美嬌

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啁啾型FBG溫度測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫 琪1，徐子奇1，劉智超1,2，王美嬌1

（1.長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，吉林 長春 130022；2.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

為了實(shí)現(xiàn)長距離、大范圍的溫度在線監(jiān)測，設(shè)計(jì)了基于啁啾調(diào)制技術(shù)的光纖布拉格光柵溫度監(jiān)測系統(tǒng)。采用線性啁啾結(jié)構(gòu)獲得更大回波帶寬，從而在單根光纖上集成更多的FBG探測器。計(jì)算了光柵尺寸、啁啾系數(shù)與光柵周期的函數(shù)關(guān)系，設(shè)計(jì)了調(diào)制方式及范圍。實(shí)驗(yàn)由寬帶光源、光纖及耦合器、FBG探測器及F-P解調(diào)儀組成，調(diào)制范圍為1530.0～1550.0nm。對(duì)15℃～55℃內(nèi)溫度進(jìn)行測試，測溫結(jié)果與WR-220型溫度探測器作對(duì)比，結(jié)果顯示，均勻型FBG與啁啾型FBG的溫度檢測結(jié)果基本一致，精度均滿足設(shè)計(jì)要求。但采用啁啾型FBG的系統(tǒng)回波帶寬大，可調(diào)制能力強(qiáng)，單根光纖上可載入FBG探測器數(shù)量是均勻型FBG系統(tǒng)的3倍以上。該結(jié)構(gòu)在不增加硬件的基礎(chǔ)上提高了系統(tǒng)的測溫能力，具有很好的實(shí)用性。

光纖布拉格光柵；啁啾調(diào)制；波分復(fù)用；溫度測試

0 引言

對(duì)溫度的實(shí)時(shí)檢測在生產(chǎn)、生活等各個(gè)方面均有應(yīng)用，可以大范圍、快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)位置溫度的在線監(jiān)測具有重要的實(shí)際意義[1]。目前，大范圍的溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)被各國研究機(jī)構(gòu)廣泛關(guān)注。

根據(jù)溫度測試的設(shè)備的工作機(jī)理可大致分為以下幾類[2-6]：煤油溫度計(jì)、應(yīng)變式溫度計(jì)、熱電阻型溫度計(jì)、熱電偶型溫度計(jì)、數(shù)字溫度計(jì)和光纖光柵測溫系統(tǒng)等。煤油溫度計(jì)工作原理簡單，成本低，但是需要人工讀數(shù)，不適合大范圍快速數(shù)據(jù)采集；應(yīng)變式溫度計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、有較高的魯棒性，但測試周期長、外界應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生溫度誤差；熱電阻型溫度計(jì)精度高，但其熱慣性大，易受振動(dòng)干擾；熱電偶型溫度計(jì)便宜、有一定的抗干擾能力，但精度低、測溫范圍??；數(shù)字溫度計(jì)靈敏度高，但傳輸距離受數(shù)字信號(hào)線制約明顯，在大范圍檢測領(lǐng)域應(yīng)用困難；光纖光柵測溫系統(tǒng)精度高、抗干擾能力強(qiáng)，是目前測溫探測技術(shù)的主要研究方向，測試大范圍、長距離具有很好的優(yōu)勢，但其單根光纖載入光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）測試端的個(gè)數(shù)一直是制約其廣泛應(yīng)用的軟肋，故設(shè)計(jì)可以提高光纖布拉格光柵測溫系統(tǒng)帶寬及帶負(fù)載能力具有重要意義[7-8]。

針對(duì)傳統(tǒng)的均勻型光纖布拉格光柵的探測端完成改良，提高其回波光譜帶寬，設(shè)計(jì)了啁啾調(diào)制光柵結(jié)構(gòu)[9]，從而增加了系統(tǒng)帶FBG個(gè)數(shù)的能力；同時(shí)，采用波分復(fù)用技術(shù)[10]（Wavelength Division Multiplexing，WDM）實(shí)現(xiàn)了對(duì)回波信號(hào)波長偏移量調(diào)制并識(shí)別的相應(yīng)功能，保證了測溫精度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

相比傳統(tǒng)的FBG而言，采用啁啾調(diào)制的測溫系統(tǒng)需要引入波分復(fù)用調(diào)制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由光纖耦合器完成光路分束，一束進(jìn)入測試區(qū)域，另一束引入到解調(diào)儀中。FBG在測試區(qū)域中采集溫度數(shù)據(jù)，由于溫度變化導(dǎo)致光柵的形變，從而使光柵周期發(fā)生規(guī)律性變化，故溫度與回波光波長存在一定的函數(shù)關(guān)系，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測試及標(biāo)定。在傳統(tǒng)FBG系統(tǒng)中，光柵采用均勻結(jié)構(gòu)，所以其回波的中心波長是一定的，整個(gè)系統(tǒng)中可以攜帶的FBG個(gè)數(shù)是有限的，很難實(shí)現(xiàn)大范圍、多點(diǎn)位的測試，采用啁啾技術(shù)實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用可以大大提高原有系統(tǒng)的帶FBG能力。

圖1 啁啾型光纖光柵測溫系統(tǒng)

2 啁啾調(diào)制技術(shù)

在均勻FBG中，光柵Bragg波長[11]B為：

式中：表示光纖折射率；表示光柵周期。

光纖光柵回波波長B與被測溫度符合以下關(guān)系：

式中：表示光纖熱膨脹系數(shù)；表示光纖熱光系數(shù)；表示光纖彈光系數(shù)，表示形變量。簡化后有：

由(3)式可知，波長變化量與溫度變化量呈線性關(guān)系。

啁啾調(diào)制光纖的結(jié)構(gòu)如圖2所示，不同波長的光信號(hào)會(huì)根據(jù)不同的光柵周期而反射回來，當(dāng)可以采用啁啾調(diào)制時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)在一根光纖上載入更多的FBG探測器，一套系統(tǒng)就能完成多點(diǎn)位的溫度監(jiān)測，由此大幅提高回波信號(hào)的帶寬。采用有效的濾波手段抑制由于帶寬增大過程中而產(chǎn)生的波長偏移的問題，就等保證一定的檢測精度。

圖2 光纖內(nèi)啁啾分布結(jié)構(gòu)

相比傳統(tǒng)的光纖探測器，因?yàn)镕BG的波導(dǎo)模的折射率發(fā)生了一定的變化，故其對(duì)應(yīng)的折射率為：

式中：n()是系統(tǒng)折射率對(duì)應(yīng)的調(diào)制性能；是干涉條紋的可見度；()是光柵周期；()是啁啾調(diào)制函數(shù)，均勻光纖光柵的()為0。

當(dāng)用啁啾光柵時(shí)，光柵周期產(chǎn)生的變化為：

式中：是光柵的尺寸；是啁啾系數(shù)；是位置。將該式代入式(1)后，則系統(tǒng)的折射率產(chǎn)生了變化，即由啁啾調(diào)制完成折射率的周期變化，故使回波信號(hào)的波長產(chǎn)生線性變換。由于不同光柵周期產(chǎn)生的回波信號(hào)的波長是不盡相同的，所以系統(tǒng)的帶寬得到了擴(kuò)展。

3 波分復(fù)用

采用啁啾調(diào)制技術(shù)可以使系統(tǒng)的帶寬增大，即提高了系統(tǒng)載入FBG探測器的數(shù)量。但是，因?yàn)椴捎么髱挼恼{(diào)制結(jié)構(gòu)，使波長偏移的計(jì)算受到了限制，所以，回波光的各個(gè)波長產(chǎn)生的偏移量會(huì)對(duì)溫度檢測產(chǎn)生一定的影響。采用波分復(fù)用技術(shù)[11]，對(duì)信號(hào)光進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生線性變化效果，再由解調(diào)儀完成對(duì)應(yīng)點(diǎn)位波長值的計(jì)算。針對(duì)某一被測波長而言，光信號(hào)僅受溫度變化而使波長產(chǎn)生相應(yīng)的偏移，即在被測區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的測試點(diǎn)的波長偏移量由溫度變化所決定。而在大帶寬的信號(hào)解調(diào)中引入波分復(fù)用技術(shù)可以有效抑制溫度改變造成的測溫精度下降的問題。

設(shè)啁啾帶寬有，波分復(fù)用的調(diào)制函數(shù)有()，對(duì)應(yīng)的波長是[1，]，當(dāng)溫度為t時(shí)，偏移量有D。第個(gè)波長對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)[12]可表示為：

給定合適的邊界條件，即：

(7)

當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)符合(4)式時(shí)，回波的各個(gè)波長就不會(huì)產(chǎn)生混迭現(xiàn)象了，故每個(gè)探測點(diǎn)位的波長可以被求解。由于系統(tǒng)采用線性調(diào)制結(jié)構(gòu)，故回波光的波長偏移量僅受對(duì)應(yīng)位置的溫度的影響，所以可通過波長偏移量計(jì)算溫度值。

4 多點(diǎn)位溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

4.1 測試環(huán)境

采用WR-220型溫度探測器對(duì)0℃～1000℃的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測，F(xiàn)BG探測器分布于被測區(qū)域。FBG采用線性啁啾調(diào)制，啁啾系數(shù)為0.980nm/cm，調(diào)制度為1.43×10－4。光柵尺寸長120.0mm，其對(duì)應(yīng)的中心波長為1538.5nm。系統(tǒng)的調(diào)制帶寬范圍是1530.0nm～1550.0nm，再由F-P光纖解調(diào)儀完成解調(diào)。

4.2 測試光譜

光源采用光強(qiáng)穩(wěn)定的寬帶光源，當(dāng)光進(jìn)入啁啾型光纖光柵時(shí)，因?yàn)楣饫w光柵的柵距各不相同，所以不同波長的光以不同的形式入射到解調(diào)儀，最后通過放大、濾波獲得目標(biāo)光的光譜分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測區(qū)域的溫度檢測。由啁啾FBG得到的光譜分布見圖3。該回波帶寬20.0nm，與均勻光纖光柵相比，帶寬得到了大幅提高，實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)區(qū)域內(nèi)完成不同中心波長的調(diào)制設(shè)計(jì)。

4.3 溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

在被測區(qū)域中放置加熱棒，溫度會(huì)隨著加熱時(shí)間增加而升高，采用精度優(yōu)于0.2℃的溫度探測器進(jìn)行監(jiān)測，溫度從15℃到55℃，記錄每1℃變化均勻FBG和啁啾FBG的波長變化情況以及其反演的溫度數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

從表1中可以看出，溫度在15℃到55℃范圍內(nèi)變化時(shí)，采用WR-220型溫度探測器可以對(duì)被測區(qū)域內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。但采用該儀器的缺點(diǎn)在于僅能對(duì)某個(gè)固定點(diǎn)位進(jìn)行測試，并且測試距離受數(shù)據(jù)傳輸線距離的約束，故影響其在大范圍溫度檢測的應(yīng)用。采用FBG完成溫度檢測的精度略高于熱釋電探測器，均勻型FBG和啁啾型FBG的溫度測試誤差基本在一個(gè)數(shù)量級(jí)。原因是兩種FBG的溫度檢測原理一致，都是利用溫度與回波波長的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行反演計(jì)算的。測試結(jié)果顯示，1℃的溫度變化約引起0.04nm的回波波長漂移。由數(shù)據(jù)分布可知，啁啾型FBG的測試數(shù)據(jù)中波長偏移量更穩(wěn)定，具有更好的溫度測試精度，使溫度溫度的魯棒性更高。采用啁啾型FBG具有明顯的帶寬優(yōu)勢，可以在同一根光纖上載入更多的FBG測試端，這樣在大范圍的溫度監(jiān)測中具有巨大的優(yōu)勢。相比傳統(tǒng)的均勻型FBG，一根光纖中FBG數(shù)一般不超過10個(gè)，而采用啁啾型FBG，一根光纖中可以載入35～45個(gè)相同的FBG，擴(kuò)容能力大幅提高，由此證實(shí)了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有很好的應(yīng)用價(jià)值與前景。

圖3 啁啾型FBG的光譜回波數(shù)據(jù)

Fig.3 Spectrum data of chirped FBG

表1 啁啾型FBG與均勻型FBG溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

結(jié)合啁啾調(diào)制和波分復(fù)用技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于啁啾FBG的實(shí)時(shí)溫度測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)相比原有光纖光柵測溫系統(tǒng)而言，在不添加硬件的基礎(chǔ)上，可以載入更多的FBG探測器，從而使系統(tǒng)測溫能力大幅提升，符合長距離、大范圍實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測的設(shè)計(jì)要求。通過實(shí)驗(yàn)可知，系統(tǒng)的測溫精度優(yōu)于0.5℃，具有較好的穩(wěn)定性及抗干擾能力，單根光纖上的FBG載入數(shù)是傳統(tǒng)均勻型FBG測溫系統(tǒng)的3倍以上，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

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Design and Implementation of Chirped FBG Temperature Test System

SUN Qi1，XU Ziqi1，LIU Zhichao1,2，WANG Meijiao1

（1. College of Optical and Electronical Information Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China;2. School of Optoelectronic Information, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China）

In order to achieve long-distance, large-scale, real time temperature monitoring, temperature detection system was designed based on chirped fiber Bragg grating for more FBG sensor integrated on a single optical fiber. The functional relationship of Raster size, chirp factor and grating period was calculated. Modulation mode and modulation range was designed. In the experiment, the system was composed of a broadband light source, fiber optic, coupler, FBG detector and F-P demodulator, and so on. Its modulation range was 1530.0-1550.0nm. The temperature was tested by system within 15℃-55℃. Temperature results were compared with WR-220 type temperature detector. The results show that the temperature test results were basically the same by the uniformity FBG and chirped FBG, and its accuracy can meet the design requirements. However, the echo bandwidth was wider, and modulation capability was stronger by the system using chirped FBG. In a single fiber, the amount of loaded FBG detectors can be more than three times to which of uniform type FBG system. The design of system can significantly improve the ability of temperature detection without additional hardware, which has a good practicability.

fiber Bragg grating，chirp modulation，wavelength division multiplexed (WDM)，temperature test

TN713

A

1001-8891(2016)11-0920-04

2016-06-13；

2016-08-17.

孫琪（1983-），女，吉林長春人，講師，碩士，主要研究方向：光電檢測、光纖通信等。E-mail：sunqinuc@sina.com。

徐子奇（1984-），女，吉林長春人，講師，主要研究方向：光學(xué)設(shè)計(jì)等。E-mail：ldmnuc@sina.com。

國家自然科學(xué)基金（60637010）；吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究規(guī)劃項(xiàng)目：基于光纖布拉格光柵網(wǎng)絡(luò)的糧倉溫度監(jiān)測系統(tǒng)（吉教科[2014]B060）。