基于啁啾光纤光栅的粮仓测温网络研究

刘智超，杨进华，张 刘, 王 高

1. 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130000

2. 吉林大学仪器科学与电器工程学院，吉林 长春 130000

3. 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051

基于啁啾光纤光栅的粮仓测温网络研究

刘智超1，杨进华1，张 刘2*, 王 高3

1. 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130000

2. 吉林大学仪器科学与电器工程学院，吉林 长春 130000

3. 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051

为了解决传统光纤光栅测温系统中单根光纤上带光纤光栅探头数量少、回波光强弱以及复用能力差的问题，设计研究了基于啁啾光纤光栅的测温系统。通过啁啾调制技术提高了回波光的带宽，从而增强了信号的可处理性并大大提高了带探测点位的数量。推导了啁啾调制的光栅周期表达式，给出了调制方法及波长范围。实验采用LPT-102型宽带光源与F-P光纤解调仪等，调制带宽为1 535.0～1 555.0 nm，并结合WR-201型温度传感器作标定。对20～60 ℃范围内每1 ℃改变进行测试，实验结果显示，传统光纤光栅探头与啁啾光纤光栅探头的测试温度误差相近，都符合设计要求。相比而言，啁啾FBG的测试数据对应的波长偏移具有较为明显的单调线性的特征，即数据稳定性更高，同时，采用啁啾FBG的系统带光纤光栅探头数量明显优于传统光纤光栅测温系统。由此可知，本系统在不增加光纤个数及不降低温度测试精度的基础上，实现了大幅提高带探测点位数量的设计要求。

啁啾光纤光栅；测温网络；波分复用技术；探测点数

引 言

在大型粮仓中对温度的实时监测具有重要意义，因为有效地温度监测可以保证在合理的时间给粮食通风降温，达到防止粮食霉变的效果[1]。故用于大范围温度检测的测温网络被广泛研究，温度测试传感器种类繁多，基于不同的工作原理主要可以分为：煤油温度计、应变式温度传感器、热电阻型温度传感器、热电偶型温度传感器、数字温度探测器以及光纤光栅温度传感器(FBG)等[2-6]。各种探测方法各有特点，煤油温度计简单、便宜，但易碎，不能数字化控制；应变式温度传感器结构简单、体积小巧、具有较强的抗干扰能力，但其速度慢、应力干扰显著；热电阻型温度传感器测量精度高、速度快，但热惯性较大，抗震动能力弱；热电偶型温度传感器价格低、具有一定的抗震能力，但其精度低、测量范围小。数字温度探测器灵敏度高、抗干扰能力强，但信号传输能力弱，一般用于短程温度数据采集；光纤光栅温度传感器由于其精度高、抗电磁干扰、尺寸小等优点被广泛地应用于大范围温度监测等领域，但其也存在一定的不足，传统的光纤光栅探测器要想提高测试范围(或者增大单光纤上测试点个数)，就需要增大带宽，但为了提高精度需要压窄反射线宽，从而使其应用受到一定的限制。

本文针对传统的基于光纤布拉格光栅的测温系统进行改进，采用啁啾调制[7-8]的方法提高了回波光带宽，从而大幅增加了带探测点位的能力。与此同时，通过波分复用技术(WDM)[9-10]完成了对回波光波长偏移量强度调制识别的功能，从而保证了系统温度测试的精度。

1 总体系统结构设计

传统光纤光栅测温系统如图1所示，采用耦合器将光纤分为两部分，一部分光纤引入到粮仓完成温度检测，另一部分将FBG探头的回波光信号传回光纤解调仪，从而通过回波光中心波长偏移量反演被测位置的温度值。由于传统的FBG探头结构为均匀光栅，故其反射回波的中心波长固定，虽然较窄的线宽提高了温度检测精度，但由于窄带宽限制了单根光纤上FBG探头的数量，降低了大范围多点位温度测试的实用性。

图1 传统光纤布拉格光栅测温网络示意图

2 改进方法及理论依据

为了能在单根光纤上加载足够数量的FBG探头，保证一套检测系统可实现大区域范围的多点温度实时监测，引入了啁啾光纤光栅的设计(图1中FBG采用chirped FBG代替)，从而大幅提高了光纤回波的带宽。在提高回波带宽的基础上，再通过波分复用技术(图1中加入的虚线框部分)克服由于带宽增大引入的中心波长偏移误差，从而保证温度检测的准确度。

2.1 啁啾调制

对于传统FBG探头而言，由于光纤光栅的存在使纤芯中光栅波导模对应的折射率产生改变，其折射率表达式为

(1)

式中，δnoff为折射率的调制能力，ν为条纹可见度，Λ(z)为光栅周期，φ(z)为啁啾函数，传统光纤光栅φ(z)=0。

当采用啁啾调制(chirped modulation)时，光栅周期Λ(z)发生改变，有

(2)

式中F为啁啾系数，L为光栅尺寸，z为光栅对应的位置，且0

图2 啁啾光纤光栅结构示意图

2.2 WDM技术

通过啁啾调制可以使回波光信号的带宽明显增大，从而提高了单光纤上的带FBG探头的能力，但由于采用了大带宽回波的设计，使得通过波长偏移反演温度的方法受到了一定限制，回波光各波长偏移量影响了温度检测的精度。本系统采用WDM技术[11]，对光强进行调制，从而产生线性变化的光强信号，再通过解调仪完成对同相位点(同光强点)波长值的提取，使针对任意被测波长位置的光强检测仅受温度引起的波长偏移的作用，即同相位点(同光强值点)的波长偏移量唯一的描述被测区域温度变化所产生的波长偏移。由此可见，在大带宽中引入WDM技术可以有效解决温度测量精度受带宽增大影响的问题。

设啁啾调制带宽为B，WDM调制光强的调制函数为P(t)，回波中心波长为[λ1，λN]，温度ti产生的波长偏移量Δλi，若第k个波长改变量为R[FBGk]，则有

(3)

当在带宽内的调制光强采用线性单调递增时，选择合适的波长满足

(4)

由此可知，当满足(4)式时，各波长不发生混迭，波长偏移量可被唯一的求解。本系统采用线性变化光强，使对应光强点仅受被测位置温度变化的影响，从而通过波长偏移量反演温度变化值。

3 实验部分

3.1 条件

实验采用ZHYQ公司的WR-201型高精度温度传感器作为标准温度数据，测温范围0～1 300 ℃，100 ℃以内精度优于±0.3 ℃，符合实验温度测试范围及精度的要求。光纤光栅探头分布于模拟实验箱中，局部点位采用加热棒升温。FBG探头采用啁啾光纤光栅结构，线性啁啾光栅尺寸为10.0 cm，中心波长1 544.6 nm，光纤光栅对应的啁啾系数是0.110 nm·cm-1，光纤折射率为1.467 5，折射率调制度为1.57×10-4。光源采用由LPT-102型宽带光源，调制带宽为1 535.0～1 555.0 nm，解调仪采用MOI公司的F-P光纤解调仪。

3.2 结果

采用宽带光源入射啁啾光纤光栅探头后，由不同光栅栅距使不同波长的回波光被反射至解调仪，再经放大、滤波等得到其光谱分布数据，最终反演对应位置上的温度值。由啁啾光纤光栅产生的回波光光谱分布如图3所示，可以看出，其带宽约为20.0 nm，相比均匀调制的光纤光栅具有明显的可调工作范围。

图3 啁啾光纤光栅调制数据图

在此基础上，采用温度调节箱对被测区域进行温度调节，使其从20 ℃上升至60 ℃，最小变化量为1.0 ℃，被测点同时采用WR-201温度传感器和传统FBG探头与本系统进行测温对比，测试数据如表1所示。

由实验数据可知，采用FBG探头的温度测量精度略高于传统热释电传感器，而均匀光纤光栅与啁啾光纤光栅的测试温度误差相近。两种基于FBG的测温系统温度与回波中心波长的关系类似，每改变1 ℃大约产生0.04 nm的波长偏移。但从数据分布的情况分析可知，啁啾光纤光栅的测试数据对应的波长偏移具有较为明显的单调线性的特征，这可以使数据处理及温度标定的鲁棒性得到提高。同时，在测温性能接近的前提下，采用啁啾光纤光栅技术使系统带探头能力得到了大幅提升。在文献[12]的实验中，我们采用均匀光纤光栅探头时，同根光纤中超过8个光纤光栅探头时回波信号就会很弱，使温度测试稳定性受到较为明显的影响，而采用啁啾光纤光栅技术后，由于带宽增大，光通量大幅提高，使该改进系统在同根光纤中加40个光纤探头仍能有效工作。

表1 不同测温系统的温度测试数据对比

4 结 论

设计了一种基于啁啾光纤光栅探头的大范围、多点位温度传感系统。给出了啁啾调制的函数关系及调制范围，由此搭建了测试系统。通过实验结果可知，该系统的测温精度符合设计要求，其回波中心波长与温度的变化相比均匀FBG线性化程度更高，具有较明显的单调特征。本系统具有精度高、稳定性好、抗电磁干扰能力强的优点，同时，由于引入了啁啾调制技术，使单根光纤上能载入更多的光纤光栅测温探头，大幅提高了系统的整体测温能力。

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[12] LIU Zhi-chao, YANG Jin-hua, WANG Gao(刘智超, 杨进华，王 高). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析), 2014，34(7): 1793.

(Received Aug. 3, 2015; accepted Dec. 21, 2015)

*Corresponding author

Granary Temperature Measurement Network Based on Chirped FBG

LIU Zhi-chao1, YANG Jin-hua1, ZHANG Liu2*，WANG Gao3

1. School of Optoelectronic Information, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130000, China

2. Jilin University, Instrumentation and Electrical Engineering, Changchun 130000, China

3. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China

In conventional optical fiber grating temperature measuring system, it can be loaded into a small number of fibers grating probe. At the same time, the intensity of back waves is relatively weak, and its multiplexing capability is poor. In order to solve these problems, temperature measurement system was designed based on chirped Fiber Bragg Grating. Its purpose is to obtain large-scale, multi-point temperature measurement data. The bandwidth of back waves was improved by chirp modulation techniques, so that available processing power of signal was increased, and the number of the chirped FBG probe in one fiber was greatly increased. Grating period expression was derived in chirp modulation, and modulation method and the wavelength range was provided. In the experiment, LPT-102 broadband light source and the FP optical fiber demodulator were used, and the modulation bandwidth of the system was from 1 535.0 to 1 555.0 nm. It used the WR-201 type temperature sensor as calibrated detector. Experimental results show that when the temperature changed by 1 ℃ from 20～60 ℃, the test temperature error would be closed with traditional Fiber Bragg Grating probe and chirped Fiber Bragg Grating probe, and they both meet the design requirements. In contrast, the wavelength shift data of chirped FBG was more monotone linear than the characteristic FBG, so its data was more stable. Meanwhile, in one fiber, the number of probes in the chirped FBG system was greatly more than the Uniform FBG system. In the original FBG system, without increasing the number of optical fiber or reduced the temperature measurement accuracy, design requirements for increase with the number of probe points in the system was achieved.

Chirped Fiber Bragg Grating; Temperature network; WDM technology; Probe points

2015-08-03，

2015-12-21

国家自然科学基金项目(60637010)，吉林省教育厅“十二五”科学技术研究规划项目(吉教科[2014]B060)资助

刘智超，1984年生，长春理工大学光电工程学院讲师 e-mail：s20070384@163.com *通讯联系人

TN713

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)10-3377-04