改进型光纤布拉格光栅温度检测系统研究

于丽霞，秦 丽

1. 中北大学电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051 2. 中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051 3. 中北大学仪器与电子学院，山西 太原 030051

改进型光纤布拉格光栅温度检测系统研究

于丽霞1,2，秦 丽1,3*

1. 中北大学电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051 2. 中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051 3. 中北大学仪器与电子学院，山西 太原 030051

传统的光纤布拉格光栅温度检测系统适用于大范围、多点位的实时温度检测领域，但其温度响应稳定性差，布拉格光栅中心波长偏移量随温度变化量的线性度差。为提高系统温度检测稳定性及其检测精度，设计了一种改进型光纤布拉格光栅温度检测系统。该系统采用双光纤并行采集同点位温度并进行差分处理的方法，实现对测温过程中随机误差的实时有效消除，进而达到提高测温稳定性及检测精度的目的。计算推导了该模式下光纤布拉格光栅中心波长偏移量关于温度变化量的函数关系，给出了新式光纤光栅探头的结构。实验将改进型光纤布拉格光栅温度检测系统与传统系统进行对比，结果显示，改进型系统的温度测量精度可达0.5 ℃，相比传统系统得到了提升，同时，其测温误差也明显优于传统系统，说明采用该设计可以提高系统测温的稳定性。

光纤布拉格光栅；温度探测；测温稳定性；差分算法

引 言

温度检测已被广泛应用于生产生活中，基于不同探测原理的成熟产品也层出不穷，而随着科学技术的不断发展，温度检测的要求也日新月异[1-2]。在精密部件合成、高效炸药熔铸、有机化学反应控制等过程中，对于连续多点位、实时高精度温度检测与控制具有重要意义，从而掀起了高精度、高稳定性、多点式测温系统的研究热潮。

目前，常见的测温技术主要有：数字测温仪、热电偶测温计、热电阻测温器、压力型测温仪、光纤测温系统以及光纤布拉格光栅温度检测系统[3-9]。数字测温仪具有体积小、稳定性高等优点，但其成本高、易受电磁干扰影响，并且不适用于液体环境的温度测试；热电偶测温计成本低、响应快、测温范围大，但其精度低、受电磁干扰影响且易老化；热电阻测温器精度高、稳定性好，响应快，但其热惯性大，抗振能力差；压力型测温仪体积小、抗电磁干扰能力强，但其响应慢、受外力影响明显；光纤测温系统精度高、稳定性好、抗电磁干扰能力强、但其成本高且制作工艺复杂；光纤布拉格光栅温度检测系统成本低、抗电磁干扰能力强、易于制作，而精度中等，稳定性较差。

综上所述，从测量精度及适用范围来看，光纤布拉格测温系统基本具备以上要求，但需要进行改进优化，使其克服温度响应稳定性差的缺点，从而使波长偏移量与温度变化量之间的函数关系更稳定，也进一步提高系统的测量精度[10-11]。本文的主要研究内容是对现有的光纤布拉格光栅温度检测系统进行优化改进，从而实现提高测温精度及系统稳定性、降低非线性误差的目的。

1 系统设计

1.1 光纤布拉格光栅温度检测系统

传统的光纤布拉格光栅温度检测系统结构如图1所示，光源发出宽带光信号，通过耦合器与解调仪的输入端相连，信号光通过光纤进入被测区域，均匀地排布在被测区域。每隔一段距离放置一个光纤布拉格光栅传感探头(图中的FBG)，每个FBG探头位置可以返回一个中心波长为λB的回波信息，由于该布拉格光栅回波对应的中心波长偏移量与其对应位置上的温度成线性函数关系，故系统可以实时检测被测区域的温度分布。从而实现大范围、实时地温度检测。虽然其制作成本低、抗电磁干扰能力强，但由于FBG探头的温度响应稳定性较差且精度一般，限制了其在一些精密温度监控中的应用，因此，提高FBG系统温度响应稳定性及探测精度成为其主要的发展方向。

Fig.1 Principle of detection system for thermometry by FBG

1.2 系统优化方案

改进型光纤布拉格光栅温度检测系统结构如图2所示，与传统结构不同的是：系统首先通过光源发出宽带光信号，通过光纤分路器(fiber optic splitter，FOS)将光波信号均匀地分配至光纤1(Fiber 1)和光纤2(Fiber 2)。光纤1与光纤2分别通过耦合器与解调仪的两个输入端相连，最后将两根光纤并列引入被测区域(注意：此处两根光纤仅是并列在一起，并非耦合成一根光纤)。在光纤1上的FBG1探头采用Λ1(光栅周期)，其对应回波的中心波长为λB1；而在光纤2上的FBG2探头采用Λ2(光栅周期)，其对应回波的中心波长为λB2。故解调仪得到的两组信号分别是不同光栅周期参数的关于时变温度的中心波长偏移函数表达式。虽然FBG1与FBG2的探测位置相同，但是由于光栅周期不同(光刻加工使其具有不同光栅所引入的Λ变量)，故该两组布拉格光栅中心波长是不同的。看似不同的波长偏移效果，却是由相同光谱光源以及相同温度场变化而形成的，其不同之处仅在于光栅周期，故可通过该两组回波中心波长偏移量函数的差分处理精确地反演被测位置上的温度变化。即将本来直接测量的温度数据通过两组温度偏移量数据实现了差分求解，可有效提高数据检测的稳定性。

Fig.2 Principle of detection system improved for thermometry by FBG

2 理论推导及结构设计

2.1 测温函数

在改进型光纤布拉格光栅温度检测系统设计思路的基础上，推导光纤1与光纤2的温度偏移量函数，并对其回波数据进行差分处理，从而实现提高温度检测稳定性的目的。根据光纤波导耦合理论[12]光纤光栅布拉格光栅可以产生回波的中心波长λB表达式表示为

λB=2nΛ(x)

(1)

其中，n为光纤折射率，Λ(x)为光栅周期。由此可得光纤1与光纤2分别有

(2)

由式(2)可知，符合式(2)的光波将被光纤布拉格光栅发射，从而进入解调器中，回波光的中心波长是关于对应位置上光纤折射率与光栅周期的函数。在此基础上可知，当x位置处发生温度变化时，其中心波长的函数表达式有

(3)

设温度为T，应力形变为ξ

(4)

再对式(3)进行微分运算

ΔλB=2Λ(x)Δn+2nΔ(Λ(x))

(5)

实际上，中心波长的偏移量主要由光纤热膨胀系数、光纤热光系数以及弹光系数共同决定。对式(5)进行泰勒展开并忽略其高次项，然后，将式(4)中的物理量代入，再结合实际测试条件即可得的中心波长偏移量

式中，y、a、b和x分别代表变量的回归结果，时间趋势、截距以及年份。通常地，当a>0时，表明变量y呈增加的趋势，反之则呈减少的趋势。

ΔλB=KTΔT

(6)

其中，KT为光纤布拉格光栅温度响应系数，ΔT为温度变化量。

由此可得光纤1与光纤2波长偏移量分别为

(7)

其中，KT1为光纤1的布拉格光栅温度响应系数，KT2为光纤2的布拉格光栅温度响应系数，ΔT为温度变化量。通过差分处理可得温度变化量为

(8)

至此被测位置上产生的温度变化量被两组光纤对应的中心波长偏移量之差与其光栅温度响应系数之差所表示，理论上，在传统测量过程中单个光纤引入的随机误差经差分处理已消除。由于系统中心波长偏移量与温度变化量之间的函数关系稳定性得到大幅提升，故进一步细化温度变化量值仍能得到可分辨的中心波长偏移量，所以间接地提高了系统的温度检测精度。

2.2 探头结构设计

如图3(a)所示FBG探头中光纤1与光纤2并行排列，整体被钢管包覆，可以起到保护光栅不受外力作用的效果，其中内部填充热良导体使外部温度快速传导至光纤布拉格光栅，最后采用粘胶剂封口与外部的传输光缆相连接。由图3(b)所示，两个光纤固定于三根导热钢条中，位于整个FBG探头中心位置。此设计既保证了探头位置可承受一定的压力作用，而由此避免了压力使光栅形变所产生的中心波长偏移，同时热良导体充分保证了温度的同步改变。

Fig.3 Structure diagram of FBG Probes

3 实验部分

实验主要通过对比传统光纤布拉格光栅温度检测系统与改进型光纤布拉格光栅温度检测系统的测温结果，验证系统改进后的优势。两套检测系统的探头部分均分别在被测区域中相同的位置，系统均采用LPT-101型宽带光源，传输光纤的中心工作波长为1 550 nm，解调仪波长检测精度优于2 pm，温度测试范围从10.0°～60.0°(由温控箱提供)。

3.2 中心波长检测数据

系统搭建完毕后，通过电脑将解调后的回波光光谱信息显示如图4所示，图4(a)和图4(b)分别是光纤1与光纤2的光纤布拉格光栅中心波长光谱分布图。

Fig.4 Test data graph of center wavelength by FBG

如图4所示，两组光谱的中心波长位置并不相同，如第一个回波中心波长光纤1为1 529.334 nm，光纤2为1 530.216 nm，但光谱分布结构几乎一致。从光谱分布图中可以看出，由于两组光纤采用了不同的光栅周期，进而使其中心波长有所差异，但由于其都是对同一光谱同一位置完成的测温实验，故具有等变化比例的特性。将两组数据代入式(8)进行差分处理最终求解被测位置的温度变化量。

4 结果与讨论

将传统FBG温度检测系统与改进FBG温度检测系统对同一位置进行温度测试，温度每0.5 ℃改变一次，测试数据如表1所示。

Table 1 Comparison of temperature test data and FBG center wavelengths

从表1中的FBG中心波长数据可以看出，无论是传统还是改进型的FBG温度检测系统，FBG中心波长的偏移量随温度变化量基本满足每1 ℃产生0.04 nm偏移的规律，并且由于非线性误差及温度响应的不稳定性，当每改变0.5 ℃温度时，波长偏移量的变化不再符合线性变化规律。由此可知，对于传统FBG温度检测系统其温度精度为1 ℃，而由于改进型FBG温度检测系统采用差分处理算法，采用Δλ补偿量求解温度值，所以即使当温度改变0.5 ℃也可以有效地检出，提高了原有系统的精度。同时，通过计算测试温度值与标准温度之间的误差可知，改进型FBG温度检测系统的测试数据平均误差明显低于传统FBG温度检测系统，证明其温度响应稳定性得到了提高。

5 结 论

针对传统光纤布拉格光栅温度检测系统测温稳定性差，布拉格光栅中心波长偏移量随温度变化量的线性度差等问题，提出了基于双光纤差分处理的改进型测温系统。经理论推导分析了设计的可行性，并给出了其函数关系表达式，同时给出了FBG探头的结构。实验在10.0～60.0 ℃范围内每改变0.5 ℃进行一次温度测量，实验结果显示，改进型FBG系统温度检测限达0.5 ℃，相比传统FBG系统得到了提升，同时，其测温稳定性高，误差小，符合设计要求。

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*Corresponding author

Research on Temperature Detection System Based on Improved Fiber Bragg Grating

YU Li-xia1，2, QIN Li1, 3*

1. Key Lab of Electronic Test & Measurement Technique，North University of China, Taiyuan 030051, China

2. School of Information and Communication on Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China

3. School of Instrument and Electronics，North University of China, Taiyuan 030051, China

Traditional temperature detection system based on Fiber Bragg Grating is suitable for large-scale, real-time multi-point temperature detection field. But its stability of temperature response is poor, shift amount of Bragg grating center wavelength is poor linearity with temperature variation. In order to improve the stability for system and temperature detection accuracy of the system, an improved temperature detection system based on Fiber Bragg Grating was designed. The method of dual fiber parallel acquisition for temperature data was used on the same point, and then center wavelength data was differentially processed. It was realized that the random errors of the system were effectively real-time eliminated in the process temperature. The function relationships of center wavelength shift amount of Fiber Bragg Grating and temperature variation was derived in this mode, and the new structure of the probes for Fiber Bragg Grating was designed. In the experiments，measurement data of Improved temperature detection system based on Fiber Bragg Grating was compared with the data of traditional system. Experimental results show that temperature measurement accuracy of improved system was up to 0.5 ℃, and its accuracy has been improved compared to conventional systems. Meanwhile, the measurement error was significantly better than traditional systems. It proved that the design can improve the stability of temperature detection for the system.

Fiber bragg grating (FBG); Temperature detection; Temperature stability; Difference algorithm

Nov. 17, 2014; accepted Mar. 12, 2015)

2014-11-17，

2015-03-12

山西省自然科学基金项目(2014011021-5)，电子测试技术山西省重点实验室基金项目(9140C12040J15X)资助

于丽霞，女，1982年生，中北大学电子测试技术重点实验室讲师 e-mail：yulixianuc@163.com *通讯联系人

TP274

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0283-04