分布式光纤布拉格的温度测试

原鹏飞 王 高 李仰军

（1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051）

1 引言

由于布拉格光纤光栅传感器具有许多不可替代的优点以及广泛的应用前景，得到了学术界和产业界的广泛关注，其研究和开发在世界范围内引起了高度的重视。在短短十几年内，针对布拉格光纤光栅智能传感网络的实用化研究和应用己经取得了一些进展，

主要应用领域涉及：民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、石油化工业、电力工业、核工业、医学等。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器的实用化开发成为整个领域发展的热点和关键。

2 光纤光栅温度传感特性

用宽带光源从光纤布喇格光栅一端入射，由于折射率的周期变化，使得纤芯中向前和向后的光波耦合。满足布喇格条件波长的光功率耦合到向后的传输波中，在反射谱中形成峰值，在透射谱中形成中心波长的峰谷。布喇格条件为

式中λ为光栅中心波长，n为纤芯有效折射率，Λ为纤芯折射率的调制周期。

温度变化既引起光纤光栅折射率的变化，同时由于热膨胀也引起栅距的变化。将不考虑波导效应，将式（1）对温度T取导数，可得

式（5）即为假定没有应变作用的光纤光栅中心波长变化与温度增量的关系。

3 系统总体方案设计及工作原理如图1所示

图1 为所设计的分布式FBG波长测温的基本原理图

分布式FBG传感系统在一根光纤中串接多个FBG 传感器λ l、λ 2、λ 3，λ 4，λ 5，λ 6，λ 7。当宽带光源的光入射光纤时，每一个波长的FBG都会反射回一个不同波长的窄带光波。外界物理量，如温度或应变作用于传感FBG时，都会引起波长的平移。因此解调系统可以通过测量各点传感光栅反射波长的平移量来测量各点的物理参量。反射光经耦合器进入可调窄带光纤F-P滤波器。本方案可以同时可以采用外部驱动信号，同时接收同步信号。

4 封装后的光纤

图2 封装好的光纤布拉格光栅

本次实验所用到的三根光纤上的光栅都是经过封装的，如上图所示。虽然裸FBG的线性关系良好，但其热灵敏度不高，并且容易折断，所以要对其进行封装。本次实验室对温度的测量，所以为了防止外部应力对FBG的影响，一般封装形式是在FBG上套上金属管。比如使用毛细钢管进行封装，还有的是在金属管内部粘上一个热膨胀率高的基底，然后再将FBG粘在基底上[31]。但是毛细钢管直径太小，不利于灌胶，而将FBG粘在基底上则是利用基底的热膨胀来压迫FBG，但是这样的方法使得FBG受到的热膨胀不均匀。本论文使用的是一种新型的封装形式，可以避免以上两种封装的缺点。即将FBG用环氧树脂胶封装于三根钢条之间，并在三根钢条之外套上金属管。

图3 FBG的封装结构

图3 .7即为FBG的封装结构。从图上可以看到，我们使用环氧树脂胶将FBG封装于三根钢条之间，这样FBG处于环氧树脂胶之中可以保证其受热膨胀的均匀性。三根钢条之外再套上钢管保护FBG不受外部应力的影响[32]。这样的封装结构有利于灌胶。我们在钢管之中注入导热膏，用来加快热传导的速度。在灌胶的时候要一边加热一边灌，这样可以防止导热膏出现气泡，保证导热的均匀性。在单根光纤上连续写入多个标准光栅，无熔接点，增加了抗拉强度，满足了长距离测量或多点测量的需要，可提高测量系统的可靠性及稳定性。封装后的光纤光栅中心波长为1510～1590nm，工作温度为-5～80℃。

5 实验结果与分析

经过解调仪解调后，用labview显示的如图二所示，可以明显看出一根光纤上7个不同中心波长的布拉格光栅，封装的布拉格光纤传感器随温度变化中心波长漂移，可以看出各个点中心波长的变化，变化的中心波长与温度有一定的线性关系。

图4 传感器各点的中心波长图

将封装的布拉格光纤传感器放置在恒温箱中，设置恒温箱温度为10℃，20℃，30℃，40℃，50℃，60℃，70℃。记录七个封装的光纤传感器在各个温度条件下中心波长的变化。

图5 为封装的1号传感器温度曲线拟合图

图6 为封装的2号传感器温度曲线拟合图

图7 为封装的3号传感器温度曲线拟合图

图8 为封装的4号传感器温度曲线拟合图

图9 为封装的5号传感器温度曲线拟合图

图10 为封装的6号传感器温度曲线拟合图

图11 为封装的7号传感器温度曲线拟合图

在图3-9中可以看出，在温度20～70℃范围内，光纤布拉格的中心波长随温度变化呈良好的线性，线性度达到99.6%以上。相对误差可能是由于温控箱密封不好，导致温度计读数误差所致。另外，光谱仪存在一定的回程误差，这使得记录波长同实际波长有一定的偏差。

6 结论

本文提出了分布式光纤光栅解调系统，光纤光栅波长随温度变化发生漂移，在一根光纤上刻不同中心波长的布拉格光栅，能够满足在大工程测量中大面积的多点测量。通过对封装的传感器进行恒温的定标后，利用高精度热电偶传感器与布拉格传感器测量的温度对比，光栅的温度敏感性可以达到20 pm/℃，光栅的测量温度与实际温度的误差在3%范围内。实验表明该系统具有精度高、适用于分布式多点测量的特点。

[1] GAO Hong-wei；YUAN Shu-zhong；LIU Bo InGaAs Spectrometer and F-P Filter Combined FBG Sensing Multiplexing Technique[外文期刊]2008（14）.

[2] YANG Xi-chun；PEI Jin-cheng；ZHAN Ya-ge Some engineering issues of an FBG sensor with the dual gratings parallelmatched interrogation method 2007（01）.

[3]饶云江；周昌学；冉曾令啁啾光纤光栅法布里-珀罗传感器波分复用[期刊论文]-中国激光 2006（05）.

[4]金晓龙.基于ZigBee的粮仓无线测温系统的设计.测控技术，2011，30（10）.

[5]杨仁弟，张艳丽.基于智能温度传感器的粮仓温度检测系统设计.仪器仪表用户，2007，14（3）.

[6]刘勇，吴波等.一种实用的粮仓测温仪.传感器技术，2003.22（9）.

[7] 曲双如，丁克勤，赵晶亮 基于光纤光栅传感器和超磁致伸缩材料的磁场测量 [期刊论文] -电子测试2012（1）.

[8] 李宏男；任亮 结构健康监测光纤光栅传感技术 2008.