差分法在FBG测温系统中的应用*

刘 赟，徐子奇，王 波，刘智超,3

(1.长春理工大学 光电信息学院 光电工程分院，吉林 长春 130000;2.长春禹衡光学有限公司,吉林 长春 130000;3.长春理工大学 光电工程学院,吉林 长春 130000)



差分法在FBG测温系统中的应用*

刘 赟1，徐子奇1，王 波2，刘智超1,3

(1.长春理工大学 光电信息学院 光电工程分院，吉林 长春 130000;2.长春禹衡光学有限公司,吉林 长春 130000;3.长春理工大学 光电工程学院,吉林 长春 130000)

为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，将差分法应用于光纤Bragg光栅(FBG)测温系统中。给出了相应的理论计算，列出了差分补偿算法的步骤。实验针对25.0～75.0 ℃的温度测试范围进行检测，结果显示，回波信号对应的中心波长与温差的变化关系基本符合：每1.0 ℃得到0.04 nm的偏移。采用差分型测温系统的系统误差低于0.5 %，比单FBG的精度高4倍左右。具有更好的稳定性与抗干扰能力。

光纤光栅； 温度检测； 差分法； 误差

0 引 言

为了对工艺过程进行有效的控制，提高产品的质量，在很多的生产过程中应用到温度的实时测量[1]。以前的大范围的温度检测，大多采用多组单独温度测试模一起采集的方法[2]。这样的方法由于需要在多个位置放置处理模块，布线复杂，比较容易损坏，而且每个探测器都引入误差，所以整体误差较大[3]。

较传统的温度检测器件主要有：数字测温器、压力测温仪、热电偶测温仪以及光纤布拉格光栅测温系统[4]。数字测温器的优点是体积小、稳定性高[5],缺点是抗干扰的能力弱、对环境的适应能力比较低；热电偶测温仪的优点是：价格便宜、处理速度快[6]，缺点是精度低、误差比较大、会出现“中毒”的现象，压力测温器测试稳定性较好，价钱也适中、但是它的反应能力低，速度慢而且容易受到外力的影响改变温度测试的数据[7]；光纤Bragg光栅(FBG)测温系统的优点是价钱比较低、方便多点引入测量、其工艺也比较简单,但缺点是稳定性低，整体比较容易受到干扰。

本文设计了在差分校正的基础上的FBG测温系统。对双通道光纤测温数据的差分校正达到外界环境对光纤探测器整体的有效的校正。

1 整体结构设计

传统FBG系统经过光源产生激光信号，回波光信号经耦合器到解调器，然后解调器得到的信号在由计算机完成处理。最后，完成对待测区的温度进行检测。因为光线探测端的位置分布的都不一样，环境的条件也不尽相同，所以每个探测端的受力情况、温度的差别都不相同。所以在测试系统中的稳定性比较低，特别是在不均匀的外力作用下所造成的每个点的位置的实际参数都不均匀，造成测试的温度出现了误差，因此提出差分校正的方法来处理这些问题。先让两组光纤系统同步然后在进行差分处理。这样就约掉了两组来自相同的干扰产生的误差，图1为系统的原理图。

图1 差分型光纤光栅测温系统结构Fig 1 Structure of differential type optical grating temperature measurement system

经过差分校正的FBG测温系统在原系统基础上引入了校正测温模块。将光源和光纤分束器连接，光信号分为相等能量的两个部分分别进入到光纤1和光纤2。两组光纤均与其相应的光纤耦合器连接构成了两组探测光纤和回波光纤。每个输入光纤都与其对应的调节仪的输入端连接，最后将两根光纤共同并列引入被测区域，完成对其相同点位的温度测试。

因为光纤1的探测端的光栅间隔是D1，它的回波中心位置为 1，然后在光纤2的探测端的光栅间隔是D2，它的回波中心位置为 2。因为两组测试数据的光栅常数不一样，所以它的波长偏移量不一样。但两个测试位置是相同，所以，受到外力作用，温度顺便等干扰相同。不一样的回波波长的偏移量是因同样光源产生的。在这个前提下，能够对两组回波数据实行差分校正补偿。这样就降低了因为这个点位的环境对温度造成的误差，系统的稳定性被大幅提升。

2 温度推导与差分补偿

2.1 测温方程

基于差分校正的FBG测温系统，要求解光纤1和光纤2相应的测温函数。然后再对差分运算。才可以完成对现有的温度的数据实行校正，依照波导理论，回波中心波长λ为

λ=2nΛ(d)

(1)

式中 n为光纤折射率，Λ(d)为光纤探测端里的光栅间隔。所以存在

(2)

符合上述函数关系的光波进到光纤耦合器后，然后到解调仪。在相应位置d改变的时候，回波中心波长可以表示成

(3)

回波波长偏移量的表达式为

(4)

式中 KT1，KT2分别为光纤1和的光纤2的温度响应系数，ΔT为温度改变量。故差分校正量有

(5)

即任意一个点位的温度的改变值能够通过差分校正量和温度响应系数来表达，可以看出:在某点位上产生了外力的作用等一些环境变化造成的回波中心波长偏差时，能够通过双回波波长差分的方法进行校正，提高了系统抗干扰能力及系统稳定性。

2.2 差分补偿步骤

推导构造的差分补偿算法的步骤为：1)将两组光纤探测端数据采集之后存储，经过解调仪计算求解回波光中心波长λ1和λ2的具体数值，系统中全部点位的中心波长值全都记录所以数据组为[λ11，λ21，…，λn1]和[λ12，λ22，…，λn2]；2)计算回波中心波长偏移量，全部点位上的偏移量值有[Δλ11，Δλ21，…，Δλn1]和[Δλ12，Δλ22，…，Δλn2]；3)因为各点位间的环境存在影响，探测的条件都不一样，因此各每个点位的校正系数也是不一样的，但是对于随便一个点位K点位而言，这里，λK1与λK2的比例关系大致相同，将每个点位上的该系数比值的算术平均值作为标准值，达成对每个点位的温度的校正；4)将上述校正数据引入温度数据中，可以构成被测点位的温度测试数据，这个数据基于测试数据抑制了因为环境变化造导致的测量误差。

3 温度测试试验

经过跟传统的独立型FBG测温系统进行比较，解析差分校正型光纤布拉格光栅测温系统系统温度检测的准确性与稳定性。系统选择LPT系列的宽带光源，实验光纤、的工作波长为1.55μm，经过温度控制箱持续改变温度，变化范围：25.0～75.0 ℃。

3.1 检测结果

通过解调仪输出的回波光对应的光谱分布函数为图2，其中为光纤1的回波中心波长位置及偏移量，光纤2与光纤1相似，不再赘述。

图2 光纤1的光谱数据Fig 2 Spectral data of the fiber 1

从图2显示的光谱分布数据能够知道两组回波数据的光谱分布形态大致相同。但是光纤1、光纤2通过检测知道的的中心波长不一样，是1 529.298，1 530.176 nm。它们虽然是一个点位，但因为光栅间隔的不一样，导致了测试效果的不同，但是因为环境的影响是一样的，所以,它们的光谱测试偏移量的水平是相同的。故基于差分校正算法能够获取这个点位上的测度测试偏移误差量，这样就可以作为修正测温系统的参考数据。

3.2 分析与讨论

与单FBG探头测温系统相比，差分型FBG测温系统的测试效果如表1所示。

表1 温度测试数据列表

在上述的表格中的温度测试数据可知：单FBG测温系统和差型FBG测温系统都是经过波长偏移量达成指定位置温度的监控和测试。经过测试数据的比较分析，回波中心波长形成的偏移量与温度中大概每1.0 ℃的改变有0.04 nm左右。单FBG型测温系统测试数据和标准值差不多，平均的误差约2.0 %，但是采用差分型FBG测温系统的数据误差为0.5 %左右,即采用了差分型FBG系统提高了温度检测准确性。与此同时，在一些部分有着不均衡外力作用时，差分型FBG测温系统依然可以比较不错地保持测量数据的稳定性，考证了系统的优势和可行性。

4 结 论

对于抗干扰能力弱的传统FBG测温系统，设计了在差分校正的基础上的FBG测温系统系统。系统经过校正FBG探测端和传统FBG的差分处理，将因为局部环境所导致的误差处理掉。实验测温范围25.0～75.0 ℃。实验的结果表明：回波中心波长形成的偏移量与温度之间大概每1.0 ℃的温度改变形成0.04 nm左右的改变。差分校正型测温系统的温度检测明显优于传统的测温系统，且方法的稳定性更高，受到局部环境的干扰小。

[1] 刘智超，杨进华，王 高.FBG测温系统的光谱校正算法的研究[J].光谱学与光谱分析,2014,34(7)：1793-1795.

[2] 卢 超.粮仓无线温湿度监控系统[J].计算机系统应用，2011,20(9):161-165.

[3] 张汝山,吴 硕,涂勤昌.高空间分辨率分布式光纤测温系统的设计及应用[J].光学仪器,2015,1(1):83-86.

[4] 张嘉庆,贾振安,刘颖刚.一种基于BOTDA与FBG传感的共线温度测试技术[J].光学技术,2013,3(1):57-60.

[5] 黄莉萍，齐 森.计算机粮仓温度检测的研究[J].粮食加工，2008,33(1):89-92.

[6] Hung Chao-Hsiung,Hang Hsueh-Ming.A reduced-complexity image coding scheme using decision-directed wavelet-based contourlet transform[J].J Vis Commun Image R,2012,23(1):1128-1143.

[7] 陈 曦,姚建铨,陈 慧.纤光栅温度应变同时测量传感技术研究进展[J].传感器与微系统,2013,32(9):1-5.

徐子奇，通讯作者，E—mail：xuziqinuc@163.com。

Application of difference method in FBG temperature measurement system*

LIU Yun1,XU Zi-qi1,WANG Bo2,LIU Zhi-chao1,3

(1.College of optical and Electronical Information,Changchun University of Science and Technology,Changchun,130000,China;2.Changchun Yuheng Optics Company,Changchun,130000,China;3.School of Optoelectronic Information,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130000,China)

In order to improve stability and anti-jamming capability of system,differential method is applied to FBG temperature measurement system.The corresponding theoretical calculation is given,list steps of differential compensation algorithm.Experimental test temperature range 25.0～75.0 ℃,the results show that the relationship between changes in echo signal corresponding to temperature difference between center wavelength of the fundamental accord that each 1.0 ℃ get 0.04 nm shift.System error of differential temperature measurement system type is less than 0.5 %,precision is about 4 times higher than single FBG.Thus,temperature measurement system based on differential has better stability and anti-jamming capability.

fiber grating;temperature detection;difference method;error

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0151—03

2015—11—30

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究规划项目 (吉教科[2014]B060);吉林省教育厅“十二五”科学技术研究规划项目([2015]580号)

TP 274

A

1000—9787(2016)11—0151—03

刘 赟(1975-)，女，吉林省磐石人，硕士，副教授，主要从事仪器仪表、动态测试等研究工作。