基于差分校正的FBG测温网络系统设计*

阚晓婷， 徐子琦， 刘智超

(长春理工大学 光电信息学院，吉林 长春 130000)



基于差分校正的FBG测温网络系统设计*

阚晓婷， 徐子琦， 刘智超

(长春理工大学 光电信息学院，吉林 长春 130000)

为了实现在大范围被测区域内实时温度监测的功能，选用光纤布拉格光栅(FBG)测温网络，同时，为了提高系统的温度测试精度和抗干扰能力，设计了基于差分校正的FBG测温网络系统。系统在原有测试结构的基础上，增加了校正光纤探头，从而针对任意位置上个别环境变化造成的温度误差进行校正。通过理论推导，差分校正值表达式被给出，并由此设计了差分校正算法。实验采用温度控制箱使被测区域温度从20 ℃变化为80 ℃，最小温度改变量为1.0 ℃。实验结果显示：回波中心波长产生的偏移量和温度之间大致每1.0 ℃的温度变化产生35～45 pm的偏移。差分校正型测温系统的温度检测误差为0.47 %，优于传统的测温系统，并且基于差分校正的测温系统受局部环境影响很小，具有较高的系统稳定性。

光纤布拉格光栅； 测温网络； 差分校正； 波长偏移量

0 引 言

为了有效地控制工艺过程，提高产品质量，温度的实时测量在许多生产过程中被应用，故各类用于不同场合的温度检测系统也应运而生[1]。在炸药熔铸、化学合成等过程中，往往需要具有大范围、实时温度采集的能力才能满足准确判断反应物理过程的要求，而传统的大范围温度检测一般采用多组单独温度测试模块同时采集的方法实现，该方法由于需要多点位设置处理模块，故主要缺点是布线复杂、易损坏,且各探测器分别引入测量误差造成整体测试误差较高[2]。

传统温度检测器件主要包括数字温度传感器[3]、热电偶温度检测仪[4]、压力测温器[5]以及光纤布拉格光栅(FBG)测温网络[6～9]。数字温度传感器体积小、有较高的稳定性，但抗干扰能力差、环境适应性低；热电偶温度检测仪价格便宜、速度快，但精度低,容易出现探测器“中毒”现象；压力测温器具有较好的测试稳定性、价格适中、但其反应速度慢,且易受外力作用改变温度测试数据；FBG测温网络价格低、便于多点引入测量、工艺简单，但其整体易受影响，稳定性较低。

通过以上比较可知，对于大范围的温度实时探测，FBG测温网络具有明显的优势。故若能在此基础上克服FBG测温系统整体稳定性低的缺点，则该测温网络将具有更为广泛的应用前景[10]。本文设计了一种基于差分校正方法的FBG测温系统，通过双通道光纤测温数据的差分校正实现外界环境对光纤探测器整体测温影响的有效校正。

1 整体结构设计

对于传统的FBG测温网络而言，通过宽带光源输出激光信号，激光回波信号由耦合器进入解调仪，解调仪采集的信号经电脑完成数据处理，最终完成待测区域的温度检测。由于光纤探头分布位置各不相同，环境条件也有所差异，故各个探头的受力情况、温度差异均不同，所以,测试过程中系统稳定性低，尤其是外力作用不均匀导致的各点位置实际参数不均匀，使测试温度出现误差。为了克服上述问题，提出了差分校正处理方法，将2组光纤传感网络同步使用再进行差分处理，从而约掉相同干扰项产生的温度误差，系统原理如图1所示。

图1 基于差分校正的FBG测温网络图

差分校正的FBG测温网络系统在原有独立的FBG测温模块的基础上增加了一套校正用测温模块。具体过程：将宽带光源与光纤分路器相连接，则光信号分为等能量的两部分分别进入光纤A和光纤B。2组光纤分别与其对应的光纤耦合器连接，从而构成2组探测光纤与回波光纤。2组探测光纤分别与解调仪的2个输入端相连，最后将2根光纤并列引入被测区域完成同点位的温度测试。由于在光纤A中的光纤探头的光栅间隔为DA，其回波中心波长是λA，而在光纤B中的光纤探头的光栅间隔为DB，其回波中心波长是λB。由于2组测试数据的光栅间隔不同，所以，其波长偏移量也不尽相同，但2个测试位置一样，所以，其收到环境的干扰因素(包括外力作用、温度瞬变等)一致。亦即不同的回波波长偏移量是由同一组光源和相同环境构成的，所以，在基于此前提下，可以对2组回波数据进行差分校正补偿，从而大大降低了由该点位环境干扰造成的温度误差，提高了系统的稳定性与准确性。

2 理论分析与差分校正算法

2.1 差分测温函数

在差分校正的FBG测温网络系统中，需要将光纤A和光纤B对应的测温偏移函数解出，再完成数据差分运算，才能实现对已有温度数据进行校正。根据波导理论[12]可知，回波中心波长λ有

λ=2nΛ(d).

(1)

其中，n为传输光纤的折射率，Λ(d)为光纤探头中的光栅间隔，则有

(2)

满足以上函数关系的光波进入光纤耦合器的回路中，从而进入解调仪。当对应位置d改变时，回波中心波长也会随之改变，有

(3)

在某个点位上，当该位置环境中存在外力作用或其它干扰因素导致的光纤探头微形变为η，回波中心波长的改变为

(4)

式中 3个主要项分别反映了光纤热膨胀系数、光纤热光系数以及光纤弹光系数。

由此，回波波长偏移量可表示为

(5)

将上式中的高次项省略并代入式(4)化简，再代入式(5)，可得2组光纤的回波中心波长偏移为

(6)

式中KTA,KTB分别表示光纤A和的光纤B的光纤光栅温度响应系数，ΔT为温度变化值，则差分校正值可表示为

(7)

由上式可知，某点位的温度改变值可以通过差分校正量与温度响应系数所表示，所以，当某点位上发生外力作用等环境变化导致的回波中心波长偏差时，可以通过双回波波长差分的方法进行校正，有效提高了系统测温稳定性和抗干扰能力。

2.2 差分校正算法

为了完成对某点位由于环境变化造成的温度测试数据偏差的校正，需要设计适合的差分校正算法。在上一节中已经得出了基于双光纤探头的温度偏移量计算公式，在此基础上，设计差分校正算法步骤如下：

1)将2组光纤探头回波数据采集存储，通过解调仪完成回波光中心波长λA和λB的求解，以此类推，将系统中所有点位的中心波长值全部记录,则有数据组[λ1A，λ2A，…,λnA]和[λ1B,λ2B，…,λnB]；

2)完成回波中心波长偏移量计算，得到所有点位上的偏移量值有[Δλ1A,Δλ2A，…,ΔλnA]和[Δλ1B,Δλ2B，…,ΔλnB]；

3)由于各点位间环境影响，探测条件各不相同，所以，各点位的校正系数也各不相同，但对于任意i点位而言，其λiA与λiB的比例关系基本一致，将所有点位上的该系数比值的算术平均值作为标准值，完成对各个点位的温度校正；

4)将以上校正数据代入温度测试数据中，从而构成被测点位的测试温度数据，该数据在原有测试数据的基础上抑制了由于环境变化造成的测量误差。

3 实 验

通过与传统独立型FBG测温网络进行对比，分析差分校正型FBG测温网络系统温度检测的稳定性和准确性。系统选用LPT系列的宽带光源，实验光纤的工作波长为1.55μm，解调仪分析精度为1.0pm，通过温度控制箱连续改变温度，变化范围为20～80 ℃。

3.1 测试数据

经解调仪输出的回波光光谱分布函数如图2所示，其中，图2(a)表示光纤A的回波中心波长及其偏移效果，图2(b)表示光纤B的回波中心波长及其偏移效果。

图2 AB光纤组的回波光光谱分布图

光谱分布数据如图2所示，可以看出：2组回波数据的光谱分布形态基本一致。但光纤A和光纤B检测得到的中心波长不一致，分别是1 529.352，1 530.237nm。虽然同为一个点位，但由于光栅间隔的不同，所以，具有不同的测试效果，由于环境的影响一致，故其光谱测试偏移量的程度是一致的。所以，根据差分校正算法可以获取该点位上的测度测试偏移误差量，从而作为修正测温网络的参考数据。

3.2 实验数据分析

将传统的FBG测温系统与差分校正型FBG测温网络系统对同一个点位进行实时温度监测，对比实验测试数据。温度箱的最小温度调节为1.0 ℃，实验选取的调节范围为20～80 ℃，监测结果如表1所示。

表1 温度检测数据对比表

Tab 1 Comparison table of temperature detection data

温度(℃)传统测温系统λ(nm)T(℃)λA(nm) 差分校正型测温系统λB(nm)ΔλAB(nm)T(℃)201529.74619.81529.3471530.2280.88119.9211529.78820.61529.3851530.2790.89421.1221529.83222.31529.4221530.3080.88621.9231529.86723.41529.4671530.3500.88323.0241529.91323.51529.5111530.3960.88524.1251529.95125.31529.5541530.4370.88325.2301530.17729.41529.8031530.6540.85130.1401530.59841.01530.1591531.0210.86240.2501530.97850.31530.5411531.3870.84649.7601531.39459.41531.0131531.9020.88960.3701531.75570.81531.4011532.2750.87469.4801532.05781.21531.8941532.6330.74180.7

由表1的温度测试数据可知，传统的FBG测温系统和差分校正型FBG测温系统均通过波长偏移量完成目标位置温度的检测。通过对测试数据的分析，回波中心波长产生的偏移量和温度之间大致每1.0 ℃的温度变化产生35～45 pm的偏移。传统型测温系统测试数据与标准值接近，平均误差为1.87 %，而采用差分校正数据处理的温度测试平均误差为0.47 %。说明采用差分校正方法后对温度检测准确性有一定的提高。同时，在某些局部存在不均衡外力作用时，差分校正型FBG测温网络系统仍能较好地保持测量数据的稳定性，验证了系统的可行性及其优势。

4 结 论

为了克服传统测温网络抗干扰能力弱的缺点，本文设计了差分校正的FBG测温网络系统。系统通过2组光纤探头将干扰项消除掉，从而达到克服环境等外部因素影响温度检测的目的。实验采用温度控制箱将温度每1.0 ℃改变，从20～80.0 ℃。实验结果显示:回波中心波长产生的偏移量和温度之间大致每1.0 ℃的温度变化产生35～45pm的偏移。差分校正型测温系统的温度检测误差明显优于传统方法，且该方法受局部环境影响小，具有更高的系统稳定性。

[1] 高 磊，张晓朋.基于LabVIEW的粮仓温湿度测控系统设计[J].平顶山学院学报，2011，26(5):52-54.

[2] 张燕君，娄俊波.新型分布式布喇格光纤光栅传感系统的研究[J].光电工程，2010，37(1):88-94.

[3] 王文成.分布式粮仓温度实时监测系统的设计[J].仪表技术与传感器，2010(11):50-52.

[4] Alvaro Hernandez,Jesus Urena,Manuel Mazo,et al.Reduction of blind zone in ultrasonic transmitter/receiver transducers[J].Sensor and Actuators A,2007,133(2):96-103.

[5] 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.

[6] 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.

[7] Zhang L J,Yang J H,Su W.Research onblind deconvolution algorithm of multiframe turbulence-degraded images[J].Journal of Information and Computational Science,2013,10(12):3625-3633.

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

[9] 陈 曦,姚建铨,陈 慧.光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,2013,9(1):8-11.

[10] 甘维兵,王立新,张 翠.分布式光纤光栅测温技术在线监测电缆温度[J].激光与红外，2011,41(5):577—580.

徐子琦，通讯作者，E—mail：xuziqinuc@163.com。

Design of temperature measurement network system by FBG based on differential correction*

KAN Xiao-ting, XU Zi-qi, LIU Zhi-chao

(College of Optical and Electronical Information,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130000,China)

In order to achieve real-time temperature monitoring function in a wide range measured area,fiber Bragg grating(FBG)temperature measurement network is selected.Meanwhile,in order to improve precision of temperature measurement and anti-jamming capability,FBG temperature measurement network system based on differential correction is designed.Based on original structure of the test system,correction fiber-optic probe is added,so that the temperature error from individual environmental change can be corrected for any position.Through theoretical analysis,the expression of difference correction values is given, and the differential correction algorithm is designed.Temperature control box is used in experiments, so that the temperature of measured region can be changed from 20～80 ℃,and its the minimum value of temperature change is 1.0 ℃.Experimental results show that approximately every 1.0 ℃ temperature change generate 35～45 pm offset between offset values generated by echo center wavelengths and temperature.In the differential correction type temperature measurement system,temperature measurement error is 0.47 %,prior to traditional measurement system. It is little affected by the local environment in the differential correction type temperature measurement system,so it has high system stability.

fiber Bragg grating(FBG); temperature measurement network; differential correction; wavelength shift value

2015—06—01

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

10.13873/J.1000—9787(2015)09—0069—03

TP 274

A

1000—9787(2015)09—0069—03

阚晓婷(1982-)，女，吉林省延吉人，讲师，主要研究方向为光学加工、光电检测技术等。