试论基于光纤光栅探测器的室内温度检测系统设计

郭博

摘要 为了精确、稳定地获得粮仓内大范围的温度分布，设计了光纤布拉格光栅测温系统。系统通过光纤网络对粮仓内进行大范围温度检测，利用光纤布拉格光栅所测温度与中心波长之间存在线性的关系，根据光谱线性频移函数获得仓内各位置的精确温度。其中每个光栅的工作波长相互分开，经3dB 的耦合器反射后，再用波长探测解调系统对多个光栅的线性频移进行测量，即可检测出仓内各处的温度。实验采用FBG 封装的光纤、LPT-101 型光源、放大处理电路等设备获得采集得到的温度信息。通过Origin 软件画出了被测温度与波长频移的关系图，同时与传统的测量方法K 型热电偶的测量数据进行比较。

实验结果显示，光纤布拉格光栅测得温度与标准温度更接近，且抗干扰能力更强，满足粮仓内大范围温度监测的要求。

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关键词 光纤布拉格光栅 温度检测 光谱线性频移 粮仓

温度检测在很多领域都有应用，生产厂房的温度检测、住宅区的室温控制、农业生产中温室大棚的恒温监控等。目前，国内外对于温度检测的主要方法有：热电偶型测温系统，具有结构简单，探测区域大的特性，而其属于接触式测量，易污染、精度较低。数字集成温度探测芯片，该温度探测器功耗低、体积小，常应用于单点探测，在多点位大范围测试中误差较大。除此之外，光纤测温器也是一个常见类型，其灵敏度高、适合远距离检测，但多路检测测量难度大、工艺复杂、价格高；半导体吸收式光纤温度传感器温度监测系统，其优点是将光纤仅用于传输，测量采用其他光学或机械的元件完成，监测被测温度的变化；智能（数字）温度传感器温度监测系统，其内部包含处理芯片，适用于测温位置在线处理的场合。我国传统的内部温度测量方法是直接将温度计插入粮食中检测，工作量大、效率低、精度差；除此之外，国内还有采用基于PN 结或热敏电阻的温度检测系统，但其传统电路设计上存在干扰、滤波不稳定，线路复杂等问题。而测温电缆技术在实际应用中不但工艺复杂，且部分结构需要专用设备，十分不便。

相比之下，采用波长调制的光纤布拉格光栅（Fiber BraggGrating，FBG）传感器避免了温度测试信号受光源变动、光纤损耗等的影响；采用波分复用技术在一根光纤中串入多个布拉格光栅实现分布式测量，大大降低了系统复杂度；采用光谱线性频移的监测手段，测量精度高、范围广、分布密度大。本文在采用分布式光纤布拉格光栅结构的基础上，利用光纤布拉格光栅所测温度与中心波长之间的线性函数关系，提出了一种通过光谱线性频移反演分布式粮温的新方法，提高了检测精度、温控范围和温度数据密度。

一、温度探测系统设计

系统采用了一种新的分布式光纤布拉格光栅测温方法，即通过光纤布拉格光栅温度探测器对粮仓各处的局部温度进行监测。由于光谱线性频移程度与被测温度存在函数关系，即中心波长与被测温度之间呈线性关系。分布式光纤探测系统是可从整体上大范围地对被测物理量的变化进行监测的探测网络。本文采用的是分布式光纤布拉格光栅探测结构，根据系统性能，建立了粮仓的数学模型。处理器控制宽带光源发射探测光，通过耦合器进入多组光纤通道，每组光纤通道中设置光纤光栅探测器，在粮仓内网络式分布，从而获得粮仓内各处的粮温数据。回波信号经解调仪解调，将带有温度信息的数据传给处理器，经过处理器将粮仓各位置粮温数据显示在控制台上。

二、光纤光栅基本原理

在光纤光栅之前，将在平面光波导中沿入射光传播方向制作的多层介质结构，即布拉格光栅。光纤中的光栅反射实际上是一种层状介质的反射，由光纤中沿轴向分布的多层介质结构构成光纤布拉格光栅。

常用的电类温度传感器有热敏电阻温度传感器、热电偶温度传感器，其极易受外界的电磁干扰，会由于测量距离、辐射系数等因素导致测量精度降低。而光纤光栅温度传感器不仅具有普通光纤温度传感器的优点，还有光谱特性好、损耗率低及稳定性高等特点，且波长编码信息不受光源功率波动或耦合损耗等的影响。同时，在一根光纤中可设置多个光栅，使光栅阵列信息量大，结合波分复用等技术非常适合大范围的分布式网络化的粮温监测。

光纤布拉格光栅探测器中的宽谱光源可采用面发光二极管SLED 或放大自发辐射光源ASE 等，光传输及转换部分由光耦合器或光环形器构成。当光源系统发出一定带宽的光入射到光纤光栅后，由于光纤光栅对中心波长具有选择作用，只有符合波长关系的光被才会被反射，并再次通过光传输结构送入解调装置解调，最后解调光会体现出光纤光栅反射波长的变化特性。当利用光纤布拉格光栅原理检测粮仓内局部粮温时，由于粮温变化引发的光栅自身的折射率或栅距的改变会使反射波长产生相应的变化，最终对由解调器检测得到的波长变化推导计算即可求得相应位置实时的粮温数据。探测器获得的尖峰波长随着粮温的变化持续变化，探测器带宽是指光纤布拉格光栅反射峰对应的带宽，其检测精度越高，则带宽就越小，由于工艺水平的限制，一般在0.2~0.3 nm 之间。

三、解调仪

光纤布拉格光栅采用波长调制，对布拉格波长移动的检测获取粮温变化信息的重要步骤。目前国内外实用化的解调技术主要有：采用可调谐F-P 滤波器和宽带光源扫描传感光纤光栅的反射谱；采用大功率可调谐窄带激光源对传感光纤光栅进行波长扫描；采用建立在色散元件和阵列相结合基础上的光谱成像技术进行波长分析。ASE 光源发出的宽带光经过F-P（Fabry-Perot）滤波器，因为不同的扫描电压所对应的中心波长各有不同。在扫描电压的控制下，窄带光穿过F-P 滤波器，其中透射光经耦合器的分光后，产生多个可与测量通道相接的光路，3 个测量通道的反射光回波信号被光电探测器采集从而获得反射谱。这些反射谱都是电压信号，被放大滤波后传输给信号采集模块，最终导入计算机，从而解调出粮温信息。

四、结束语

本文针对粮仓内大范围的粮温实时监测困难大，设计了基于光纤布拉格光栅测温原理的分布式粮温网络监测系统。系统根据光纤布拉格光栅所测温度与中心波长之间存在线性的关系，利用光谱线性频移函数获得仓内各位置的精确温度。实验采用LPT-101 型光源、FBG 封装的光纤及处理电路等获得模拟粮仓中的分布温度数据。通过计算光谱线性频移量及温度标定的方法获得对应处温度信息，再由Origin 软件画出了被测温度与波长变化的关系图，与传统的K 型热电偶单点测温方法进行比较。实验结果显示，光纤布拉格光栅测温法的精度满足设计要求，且具备抗干扰能力强，可获得大范围多点的实时粮温数据。