基于窄带激光器解调技术的光纤光栅测温系统

哈尔滨理工大学电气与电子工程学院 刘 杰 程武林 谭婕妤 刘珈辰

1 引言

随着城市电网中电力电缆的份额日益增大，大量的电力电缆敷设在距离较长且复杂的电缆沟和电缆井内，并且长期运行在高电压、强电流的环境下，电缆爆炸、起火等事故时有发生[1]。在已发生的事故中，大部分是由于温度过高或设备温度过热引起，对电力设施早期的温度检测进行预警并采取相应的措施，可以有效的减少此类事故的发生[2]。由于电力系统中的设备大都处于强电磁场中，传统的温度传感器易受到电磁干扰，无法实现精密测量，而红外辐射测温由于不具备扫描功能和仪器本身测温距离的限制存在很大的局限性，无法解决电气设备内部温度的实时监测 问题[2～3]。光纤布拉格光栅（FBG Fiber Bragg Grating）传感器具有光纤兼容性、具有低功耗、抗电磁干扰、体积小、易于复用等优点，因此光纤传感器被广泛应用于电力系统的温度测量中[4～5]。

FBG传感技术中最重要的技术是对FBG波长信息的检测技术，即对FBG传感器反射光谱进行实时监测得到FBG传感器的中心波长[6]，它直接影响FBG传感器的测量精度问题。目前，常用的FBG波长解调技术有干涉法、匹配光栅滤波法[7]、可调谐F-P腔滤波法[8]、非平衡Mach-Zehnder干涉法[9～10]、CCD测量法和光栅啁啾解调法[11]。其中，匹配光栅滤波法结构简单、成本较低，但系统调谐范围小，检测灵敏度由PZT位移灵敏度决定，PZT的非线性对输出结果影响较大，且系统光损耗较大[12]；可调谐F-P腔滤波法精度较高，且价格昂贵；非平衡Mach-Zehnder干涉法响应速度快，分辨率高，其不足在于解调精度非线性，解调范围较小，易受外界干扰[12]。本文采用以分布式反馈半导体（DFB）窄带激光器为动态光源扫描FBG的解调方法，相比于宽带光源可显著提高输出波长的光功率，使其具有较高的信噪比和分辨率，且测温系统结构简单，容易实现[13]。

2 基本原理

2.1 光纤光栅传感基本原理

光纤布拉格光栅是光纤内的芯内体光栅，形成于一段范围内纤芯折射率的周期性变化，具有高反射率和窄反射带宽。当FBG的一端入射光源时，由于纤芯折射率发生了周期性变化，所以纤芯中向前和向后传输的光波相耦合。在满足布拉格条件下会发生选择性反射；光纤光栅的中心波长与光栅周期和反向耦合模的有效折射率有关，其中任意两个参量的改变都会引起FBG波长的变化。光纤光栅的波长表达式[14]如公式（1）所示：

式中为反射光波长，为纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期。当光栅所处环境的温度 T 变化时，光纤光栅的周期或纤芯折射率均改变，将等式两边同时对 T 作微分运算，得到光纤布拉格光栅的温度传感基本表达式，如公式（2）所示：

式中ζ 为光纤光栅折射率的温度系数（热光系数），α为光纤光栅的线性热膨胀系数。设，其中KT为光纤布拉格光栅的温度灵敏度系数。温度变化引起光纤光栅中心波长改变，如公式（3）所示：

当外界温度等物理量变化时，反射光的波长会随之发生改变。对于掺锗的普通单模石英光纤，热光系数线性热膨胀系数光纤光栅相对温度灵敏系数可以通过检测光纤光栅的中心波长变化得到外界温度变化[15]。

2.2 DFB激光器波长解调原理

DFB激光器通过内置光纤布拉格光栅构成谐振腔，利用光栅的分布反馈从而实现纵模选择，在温控电压的控制下可以实现波长可调谐。本系统采用的是分布式反馈（DFB）窄带激光器为动态光源扫描FBG的解调方法，DFB激光器及FBG光谱如图1所示，DFB激光器光谱线宽约为0.001pm，FBG的光谱线宽约为0.2nm，所以相对于FBG光谱，DFB激光器光谱极窄。FBG光谱在温度变化的过程中发生位置漂移，调谐DFB激光器中心波长，使DFB中心波长跟踪FBG光谱变化，由于FBG中心波长与温度信息有线性的对应关系，通过调整DFB激光器的温控电压控制DFB的中心波长，当DFB激光器中心波长与FBG波长重合时，如图中A位置，此时通过光电放大获取最大电压峰值。根据此时的温控电压可以确定此时DFB激光器的中心波长，也就是FBG中心波长，所以可以从中获取温度信息，实现窄带激光器高精度解调。

图1 DFB激光器解调原理Fig.1 The demodulation principleof DFB laser

光纤光谱和激光器光谱都符合高斯函数分布，分别表示为F(λ)和S(λ)，如公式（4），（5）所示[16]

式中：y0，F0为背景反射率；bF，bS为FBG和激光器的3dB带宽；λF，λS为FBG和激光器中心波长。DFB激光器发出的光经过FBG边带反射，反射回的光强为和的卷积运算，经光电放大后得到电压信号，如公式（6）所示：

由于FBG的3dB带宽为0.2nm左右，而DFB激光器的3dB带宽为0.001pm，因此式（6）可简化[17]，如公式（7）所示：

式中：β是常数，它包括光源光强、耦合器分光比、光电路损耗和光电放大倍数等转换系数[18]。

以波长连续变化的激光器周期性的扫描FBG光纤光栅，得到的光电放大信号如公式（7）所示，当λF和λS相等时，光电放大输出的电压信号最大，此时DFB激光器的中心波长与FBG光纤光栅的中心波长相同。由于DFB激光器的中心波长与它的控制电压有线性对应关系，因此根据此时的控制电压，就可以得到DFB激光器此时的中心波长，即FBG的中心波长，从而解析出此时温度的信息。

3 系统设置

3.1 系统硬件设计

光纤光栅测温系统硬件框图如图2所示，包括DFB激光器、温度控制器、驱动电路、耦合器、光纤光栅温度传感器、光电放大器和STM32主控板。系统使用的DFB激光器采用14脚蝶形封装，中心波长范围1550.00±0.4nm(25℃) ，带宽为0.001pm；温度控制器采用由linear公司的DC388B温度控制器；驱动电路采用LM317集成电路；光电放大器采用THORLABS公司的PDA10CS-EC型号的InGaAs Amplified Detector。

图2 光纤光栅测温系统结构框图Fig.2 Fiber Bragg grating temperature measuring system structure diagram

光纤光栅测温系统由三个部分组成：DFB激光器及其控制电路，光纤光栅传感器以及STM32主控系统。DFB激光器在驱动电路和温度控制器的作用下发出波长可调谐激光，窄带激光通过耦合器入射到FBG光纤光栅上，只有满足布拉格条件的入射光被反射，反射光通过耦合器进入光电转换放大器中，光电转换放大器将光信号转换为电信号，进入STM32主控板中，同时主控板产生的三角波调谐DFB激光器中心波长，控制激光器对FBG光栅进行扫描，并执行寻峰算法，获取与温度实时对应的FBG中心波长，当捕捉到FBG中心波长的峰值时，采集中心波长并进行数据运算，获取实时的温度信息。

DFB激光器及其控制电路：光源部分采用是分布反馈式窄带激光器，其中心波长范围1550.00±0.4nm，带宽为0.001pm。分布反馈式激光器最大的优势是单色性非常好，光谱非常纯净，并且具有较高的边模抑制比，在该系统中应用的是中心波长为1550.17nm的DFB窄带激光器，输出电流在80mA，性能非常良好。驱动电路采用LM317构成的恒流驱动，同时设计有保护电路以防止输出电压大于2v，避免尖峰电流或者尖峰电压对激光器产生损坏。温度控制器采用以LTC1923为核心的DC388B温度控制电路，激光器内部的环境温度可以被设置成不同于外界环境的温度，通过主控板输出温度控制电压，可以实现温度以0.05ºC为基本单位非常精细地控制，从而实现激光器中心波长非常小的偏移量，板内有14位的LTC1658数模转换芯片，可以实现对于FBG光栅的精确扫描。通过光谱仪观测到的光谱特性如图3所示。

图3 DFB激光器光谱特性Fig.3 DFB laser spectral characteristics

光纤光栅传感器：在本系统中，采用光纤布拉格光栅作为温度传感器对温度进行测量，其中心波长范围1549.5±0.2nm。利用FBG对于温度的敏感特性，将温度的变化信息调制到FBG光纤光栅波长信息的变化当中。FBG光纤光栅的光谱图如图4所示。

STM32主控系统：控制器以STM32F103RCT6为核心，通过编写程序产生1V～2V的三角波作为连续变化的参考电压，对激光器温控电路进行数字量的调节，产生周期性的窄带激光对FBG光栅进行扫描；并通过采集光电放大器的输出信号，通过系统数据处理及算法分析捕捉FBG光纤光栅的峰值，计算出当前FBG的中心波长，通过其与温度的线性关系计算出当前温度信息。

图4 FBG光纤光栅的光谱图Fig.4 FBG spectrum of fiber grating

3.2 系统软件设计

STM32主控板中程序流程图如图5所示。

图5 光纤光栅测温系统算法程序流程图Fig.5 Fiber grating temperature measuring system algorithm program flow chart

通过主控系统产生的三角波对DC388B的参考电压进行数字调节，使激光器的中心波长连续、可调谐并能周期性的扫描光纤光栅，通过板载的ADC对光电放大器输出的电压信号采样，利用寻峰算法得到峰值对应的电压信号，最后由温度-峰值波长拟合关系式得到光纤光栅所处环境的温度值。

程序设计了两段三角波的调控状态，这样做会使系统响应的时间变长，但可以避免扫描到峰值电压时，因扫描电压急速下降导致激光器损坏。程序中加入的上位机可以通过串口与主控板通信，可以对拟合系数等值实时的做出调整。

4 分析与讨论

实验过程中，先通过主控系统对DC388B芯片参考电压进行数字调节，并在光谱仪（采用日本横河公司的AQ6370型号的光谱仪）上观察DFB激光器的光谱特性，通过观测光谱得出结论，只有在参考电压大于1.2v且小于1.8v时，DFB激光器的波形正常，且窄带特性良好。通过对参考电压的精确控制，使温控电压由1.2v增加到1.8v，以步长为0.05V增长，记录每个参考电压所对应的中心波长；多次测量求波长的平均值。将得到的DFB激光器中心波长数据进行拟合，如图6所示。

图6 参考电压与激光器中心波长的关系Fig.6 The relationship between the reference voltage and the laser wavelength

图6中电压-波长的拟合关系式如公式（8）所示：

由于温度控制器内LTC1658是14位的DA芯片，因此主控板数字调节的最小电压为0.0003v，所对应的DFB激光器中心波长的最小改变量为1pm，由于实验中采用的光谱仪的最小分辨率为20pm,因此可以观测的最小波长变化位20pm。

对于光纤光栅测温系统，确定光纤光栅中心波长与温度的对应关系是解调系统实施的关键。因此这部分主要采用数据标定的方法。将FBG光纤光栅放入特定的温控水槽中（采用HH-1型号的单孔数显恒温水浴槽，其功率为300W，温度控制精度为±0.5℃，控制温度范围为0～100℃），使温度值由50开始，温度每上升2℃测量一次数据，为保证数据准确性，每次的测量要经过十分钟后再记录数据。每个温度点经过多次测量并求平均值，所得的数据保留三位小数，以减小系统误差。图7是FBG光纤光栅中心波长与温度间的拟合后的关系。

图7中温度-波长的拟合关系式如公式（9）所示：

通过公式（8）和公式（9）可得到参考电压与温度的确定关系式如公式（10）所示：

由式（9）可知，温度每改变1℃，FBG中心波长改变10.2pm，由式（8）中可得DFB激光器波长最小改变量为1pm，温度灵敏度可以达到0.1℃，与理论值相符，提高实验的温控箱控制精度，可以达到0.1℃的分辨率。通过公式（10）可解调出当前温度值。

5 结论

本文设计了一种基于光纤光栅传感器和DFB激光器的温度检测系统，系统结构简单紧凑，测量误差小，成本低。采用窄带激光程控调谐扫描的方式实现系统解调，给出了控制电压与光纤光栅中心波长的线性关系，测量温度灵敏度可以达到0.1℃，可实现的温度测量范围是20～90℃，可应用于多种温度测量场合，在电力设施温度检测方面有着广阔的应用价值。

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