改进型测温检测校正方法研究

刘智超　杨有松　刘赟　张婉仪

【摘 要】在光纤布拉格光栅测温网络中，需要对温度测试系统进行校正，因为在测试过程中，光纤中的回波波长会被展宽，同时受到影响而发生偏移，所以需要有必要的校正才能获得准确的温度测试数据。通过理论分析和计算，对波长的偏移校正方法进行了设计，并应用于实验中，实验结果显示，测试温度与回波中心波长的函数关系为每40pm对应大约1.0℃的变化，系统测试结果稳定。

【关键词】测温系统；温度校正；波长偏移计算

0 引言

生产生活中温度检测已经被普遍的使用，而且根据不同的探测原理制成的产品也屡见不鲜，然而随着科学技术的不断迅猛发展，对温度检测的要求也与日俱增[1]。在有机化学反应控制、精密部件合成、高效炸药熔铸等过程中，对于实时高精度温度检测和控制、连续多点位具有着重要的意义，因此掀起了高稳定性、多点式、高精度测温系统的研究热潮。

当前，常见的测温技术主要有：热电偶测温计、压力型测温仪、光纤布拉格光栅温度检测系统、数字测温仪、光纤测温系统和热电阻测温器[2]。热电偶测温计的优点有响应速度快、测量温度范围大、制造成本低，但是有易受到电磁干扰的影响、精度低且易老化的缺点；压力型测温仪抗电磁干扰的能力强、体积小，但是其明显受到外力的影响、而且响应速度慢；光纤布拉格光栅温度检测系统有成本低、制作简单、抗电磁干扰的能力强的优点，而有稳定性较差、精度中等的缺点；数字测温仪具有体积小、稳定性高等优点，但其的制造成本高、以及易受到电磁干扰影响，并且不适合用于液体环境的温度测试；光纤测温系统抗电磁干扰能力强、稳定性好、精度高，但其制作工艺复杂而且成本高；响应速度快、稳定性好、精度高；是热电阻测温器的优点，但是其有抗振能力差、热惯性大的缺点。

总而言之，从适用范围和测量精度来观察，基本满足以上要求的测温系统是光纤布拉格测温系统，但是它仍还需要进行改善和优化，让它的温度响应稳定性差的缺点可以得到改善，进而使其的温度变化量和波长偏移量之间的函数关系更加的稳定，而且系统的测量精度也可以大大提高[3]。对现有的光纤布拉格光栅温度检测系统进行优化改进是本文的主要研究内容，从而实现降低非线性误差、提高测温精度和系统稳定性的目的。

1 整体结构设计

针对传统的光纤布拉格光栅测温网络，经过宽带光源输出的激光信号，再将激光回波信号从耦合器进入解调仪，然后解调仪采集的信号进入电脑，电脑完成一系列的数据处理，这样就完成了待测区域的温度检测。因为光纤探头分布的环境条件各不相同，而且位置也各不同，所以各个探头的温度差异、受力情况都不同，因此测试过程中的系统稳定性较低，最突出的是在外力作用不平衡时，在各点位置的所得的实质参数不均匀，从而使测试温度出现了误差。为了解决上面的问题，进而提出了差分校正处理的方法，是将两组的光纤传感网络同步使用，然后再进行差分处理，因此这样可以约掉相同干扰项产生的温度误差。

把原本独立的光纤布拉格光栅测温模块的根本上添加了一系列的校正用的测温模块，从而形成了差分校正的光纤布拉格光栅测温网络系统。具体的操作过程如下：是将光纤分路器和宽带光源相连接，可以将光信号分为同等能量的两部分，并且分别进入光纤A和光纤B。光纤A和光纤B分别和它对应的光纤耦合器连接，从而组成两组探测光纤和回波光纤。两组探测光纤分别和解调仪的两个输入端相连，最后完成被测区域同点位的温度测试，通过将两根光纤并列引入被测区域。因为在光纤A中的光纤探头的光栅间隔为DA，其回波中心波长是A，然而在光纤B中的光纤探头的光栅间隔为DB，其回波中心波长是B。因为两组测试数据的光栅间隔不同，所以它的波长偏移量也不大相径庭，但是由于两个测试的位置一样，所以它收到环境的干扰条件（包括温度瞬变、外力作用等）相同。换而言之不同的回波波长偏移量是由相同环境和同一组光源组成的，所以，在这种情况作为的前提条件下，可以对两组的回波数据进行差分校正补偿，进而由该点位环境干扰造成的温度误差被极大的降低了，而且提升了系统的准确性和稳定性。

2 理论分析及测试结果

在差分校正的光纤布拉格光栅测温网络系统中，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。根据波导理论可知，回波中心波长是=2n（d），可得两组光纤的回波中心波长偏移为A=KTAT和B=KTBT。其中，KT1、KT2分别表示光纤A和的光纤B的光纤光栅温度响应系数，T表示温度变化值。

经解调仪输出的回波光得到其光谱分布函数，包括光纤A的回波中心波长及其偏移效果和光纤B的回波中心波长及其偏移效果。实验数据可以看出两组回波数据的光谱分布形态基本相同。但光纤A和光纤B检测得到的中心波长不一致，分别是1529.352nm和1530.237nm。虽然同为一个点位，但是由于光栅间隔的不同，所以具有不同的测试效果，但由于环境的影响一致，因此其光谱测试偏移量的程度是一致的。所以，该点位上的测度测试偏移误差量可以根据差分校正算法获取，来作为修正测温网络的参考数据。

通过对测试数据的分析，在温度与回波中心波长产生的偏移量之间大概产生40pm的偏移，温度变化了1.0℃。传统型测温系统测试的数据和标准值靠近，平均误差为1.87%，然而采用了差分校正数据处理的温度测试的平均误差为0.47%。证明了采用差分校正方法后，对温度检测的准确性提高起到了作用。而且，当某些局部存在不均衡外力作用时，测量数据的稳定性被差分校正型光纤布拉格光栅测温网络系统较好地保持，同时验证了系统的可行性和它的优势。

3 结论

通过设计采用差分校正的光纤布拉格光栅测温网络系统，来克服传统光纤布拉格光栅测温网络抗干扰能力弱的缺点。局部环境造成的误差被系统通过传统光纤光栅和校正光纤光栅探头的差分处理从而消除掉了。实验采用温度控制箱来改变，是将环境温度每1.0℃的改变，从20.0℃80.0℃的范围内变化。由实验结果可知，大约每1.0℃的温度变化，温度和回波中心波长产生的偏移量之间将会产生40pm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，因为该方法具有更高的系统稳定性，而且受局部环境的影响更小。

【参考文献】

[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] 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.

[3]Alvaro Hernandez，Jesus Urena，Manuel Mazo，Juan J.Garcia.Reduction of blind zone in ultrasonic transmitter/receiver transducers[J].Sensor and Actuators A，2007，133（2）：96103.

[责任编辑：侯天宇]