光纤光栅环境温度实时监测系统研究

郑 潜

（武汉光谷光联网科技有限公司,湖北 武汉 430000）

环境监测和保护是全人类共同的职责，但环境各项参数并不是通过肉眼就能观察到的，必须依赖于各类先进的环境监测传感器[1-2]。这些传感器的原理和应用场合各不相同，其中，光纤光栅传感器具有耐腐蚀、耐高温、抗干扰、结构紧凑、精度高、适合远距离传输等优势，从而在环境监测领域逐渐得到广泛的应用。

1 光纤光栅环境监测传感器应用现状

光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感技术是以光纤为传导媒介，把待测的各种物理量转变为光的特性变化，从而间接测得所需的物理量[3-4]。与传统的传感器类型相比，光纤光栅传感器可以满足实时监测、在线监测和分布式监测等特殊检测需求，与当前环境保护领域的快速检测需求具有非常高的契合度。经过国内外学者坚持不懈地努力和研究，目前已经可以实现对环境中多种气体和水质指标进行监测的目标[5-8]。在气体监测方面，目前光纤光栅传感器已经可以完成氨气、二氧化氮、甲烷、乙炔等多种气体的实时监测。在水质监测方面，目前光纤光栅传感器已经可以完成pH、含氧量、离子类型以及浊度等水质参数的快速检测。

光纤光栅传感器是在光纤技术的发展下逐步发展起来的，相对于传统的传感器设备和仪器有着许多特殊的优势，因此近年来受到了更加广泛的关注。随着光纤光栅传感技术的日益成熟，光纤光栅传感器将在环境监测领域发挥更加重要的作用。

2 光纤光栅温度传感器原理分析

在环境条件保持稳定时，光波在光纤介质中传播的特性也呈现出稳定的特点。但是，当外部环境发生变化时，光波就会受到相应的调制作用，从而出现一定的变化。通过光电敏感器件对这种变化进行识别和测量，即可计算出外部环境变化的情况。在环境中，温度是一个极为重要的物理量，它对光纤光栅传感器的影响也是十分明显的，因此可以通过光纤光栅传感器进行精确的温度监测。

根据模式耦合理论，一个具有一定带宽的光源发出的光波，在经过光纤光栅时，并非所有光波都会向前传播，其中有一部分光能量会向后反射回来[9-10]。实际上，被反射回来的这部分光波的波长是满足布拉格条件的，而不满足布拉格条件的光波都会向前传输或被吸收。

光纤布拉格光栅的折射率沿z轴的分布可以用式（1）描述：

其中，neff表示有效折射率，Λ表示光栅周期。由式（1）不难发现，neff和Λ两个参数共同决定了中心波长λB，如果两个参数中至少有一个发生改变，那么中心波长一定会发生移动。在环境监测系统中，当传感器所处环境的温度、应变等条件发生改变，那么neff和Λ也会随之改变，最终导致中心波长λB的改变。

对式（21）两边取微分，得：

显然，只要知道了波长漂移量，就可以推导出外界环境中如温度、应变或压力等物理量的变化，从而实现环境监测的目的。实际上，对反射光波的波长变化量进行精确测量是非常困难的，因此，在实际工作中并不直接对波长变化量进行测量，而是通过其他的参量来进行间接推导。

3 光纤光栅解调系统设计

光纤光栅传感器的物理媒介是光波，但实际工作中要测量的往往是温度和应变等物理量。将光学特性转换为实际物理量的过程称为光纤光栅解调，解调是实现光纤光栅传感器应用的前提，因此本文设计了图1所示的光纤光栅解调系统。

图1 光纤光栅的解调过程原理图

宽带光源发出一束光波，光波照射到传感光栅模块上，光栅中不满足布拉格条件的波长成分将会直接透射过去，只有少量满足布拉格条件的波长成分会被光栅模块反射回来。对于这部分反射回来的光，需要知道其波长的变化情况，但直接测量比较困难。因此，将反射光导入到一个可调的光纤F-P滤波器上，然后采用间接测量的方案。

首先对反射光进行窄带扫描，被扫描的光波段被接收器接收后转换为光谱分布，该光谱分布实际上是受到了波长的调制的。接下来将光谱分布转换为电流信号，该电流的大小可以直接表征光强的大小，但电流值通常是非常微弱的，还需要通过放大电路进行放大。经过放大并整形的电流信号被转换成了脉冲电压，该脉冲电压由单片机进行接收并锁定其上升沿和下降沿，在此期间采用计时器进行计数，当计时中断信号被触发时的计数值，就是压电陶瓷施加在光纤F-P滤波器上的电压值。根据传感器的标定曲线，即可计算出反射波的中心波长和波长变化量，从而演算出环境温度的真实值。

4 危险区域温度监测系统研究

4.1 监测方案的选择

危险区域具有很高的危险性，如高压线路、强电磁辐射区域等，如果安排人员到达现场进行温度的测量，很难保证安全性。因此，危险区域的环境监测通常利用远程监测系统。无论是高压环境还是强辐射环境，都会对一般的电子系统产生干扰，电磁兼容问题难以解决。而光纤光栅传感器是以光纤和光波为载体的，对电磁辐射不敏感，因而非常适于危险区域的环境监测。

4.2 系统总体架构设计

本文设计的光纤光栅温度监测系统总体架构如图2所示。系统由现场部分和远程监控部分组成，两者之间通过移动通信网络进行数据传输。其中，现场部分安装在危险环境中，主要包括GSM发射器、单片机、光纤光栅传感器、电源等，远程监控部分则由GSM接收器、从机和上位机构成。

图2 系统总体架构

光纤光栅温度传感器在采集到光信号后，由单片机进行解调并计算出实时温度值，然后通过RS-485串行总线将温度值传输至GSM模块中，GSM模块会对温度信号进行编码，并通过移动通信网络发送出去。远程监控中心在接收到数据后进行解码，并通过显示设备实时显示出来，从而实现危险区域的远程环境温度实时监测。

4.3 关键设备选型分析

4.3.1 单片机选型

在危险环境中，要求系统的设备具有很好的稳定性。单片机作为系统的控制模块，对所有的模块进行协调控制，并负责信号的处理，应满足成本和性能的基本要求。本文采用宏晶科技生产的工业级STC12C5A60S2型单片机，其内部结构如图3所示。

图3 STC12C5A60S2型单片机片上资源及结构

该器件采用增强型8051 CPU，工作频率为0～35 MHz，工作温度范围在-40～85 ℃之间，应用程序空间最高可达62kB，片上集成1 280B RAM，自带EEPROM功能，内置4个16位定时器、2路PWM、8路10位精度ADC。该器件具有高性能、低功耗、超强抗干扰的优点，完全可以满足系统设计的要求。

4.3.2 GSM模块选型

对于危险区域的温度监测，还需要满足远程操作和数据传输的要求。由于危险区域不适合大规模布线，因此监测系统的数据传输宜采用无线传输方案。通过在硬件系统中集成TC35型GSM模块，即可实现通过移动通信网络来传输监测数据的目的。TC35是Siemens公司研发的无线通信GSM模块，支持数据和语音传输、短消息服务和传真，是一款常用的高性价比GSM器件。

4.4 系统软件设计

系统软件采用可视化编程语言VB6.0开发，可实现实时温度在线监测、智能分析处理、实时温度预警、历史数据存储与查询等功能。在软件中，每个功能模块设计一个子程序来实现，最后通过主程序的统一调用，实现系统功能。程序流程如图4所示。

图4 程序流程图

系统开机后，由主程序自动调用系统初始化程序，完成各硬件设备工作的准备。接下来，由用户通过键盘和显示器完成光纤光栅传感器的信息配置，如传感器名称、安装位置、测点位置、初值等，同时还要配置好GSM的信息，包括目标IP和端口，以便向远程监控中心传输数据。用户还需要对每个测点的温度阈值进行设置，以保证当温度超出预定范围后可以及时触发报警。完成以上步骤后即可启动光纤光栅解调程序，然后与光纤光栅传感器建立串口连接，同时向GSM接收端发起连接请求，并建立TCP长连接。如果串口缓存空间中已经采集到数据，即可将其读取出来。此时读取到的是光的波长信号，但系统所需的是温度值，因此需由主程序调用解调程序，对光波信号进行解调得到温度值。该温度值会通过GSM发送程序实时发送到远程监控中心。

远程监控中心调用GSM接收程序完成温度数据的接收，并根据用户设定的阈值对实时温度进行比较，如果温度超出了设定的阈值范围，那么立即调用预警子程序在系统界面中发出预警信号，必要时可以通过短信的方式向管理员发送预警短信。如果温度值在正常范围内则无须预警，将数据直接存入数据库中备查即可。

5 系统测试及数据分析

5.1 系统测试

在解调子程序中读取并保存光栅反射峰的中心波长值，如果光路上串接了多个光纤光栅传感器，那么就会接收到多个相应的峰值波长。当外部环境温度发生变化时，每个光纤光栅中心波长也会相应地出现偏移。为了测试不同温度环境下的系统性能，本文采用水浴法进行测试，即将光纤光栅浸泡到水中，对水进行加热以获取所需的温度。通过高精度温度计来测量实际水温，测量精度精确到0.1 ℃，每隔5 ℃记录下相应数据，与光纤光栅中心波长一同记录下来。测试系统中共串联了7个光纤光栅传感器，所得波长信息如表1所示。

5.2 数据分析

测试中对一条光路上的7根光纤光栅进行温度标定实验，获取其中心波长并寻找它与温度的关系。表2所示为其中一根光纤光栅的标定数据，为减少实验误差，实验重复进行了3组。

对以上中心波长与温度关系数据进行最小二乘法拟合，即可得到光纤光栅的标定曲线，如图5所示。

表1 各传感器的峰值波长及峰值能量

表2 实测温度-波长数据

图5 光纤光栅标定曲线

5.3 系统的应用

为了验证本系统设计的合理性，将该系统放到了某化工车间内进行试运行。由于化工车间内有多种有毒气体，在生产期间人员不能随意进入，因此采用本系统进行车间室内温度监测。系统测得某一天的温度数据如表3所示，将数据以曲线的形式展示如图6所示。

如图6所示，工艺温度控制曲线与实测温度曲线基本吻合，最大误差不超过1%，测量精度远超工艺要求的5%，完全可以满足环境监测需求。

6 结论

危险区域的环境监测通常利用远程监测系统，而光纤光栅传感器对电磁辐射不敏感，非常适于危险区域的环境监测。本文设计的光纤光栅温度监测系统由现场部分和远程监控部分组成，通过移动通信网络进行数据传输，由单片机进行解调并计算出实时温度值。如果温度超出了设定的阈值范围，能够及时发出预警信号。测试和应用结果都表明，系统运行可靠、测量精确、预警及时，最大误差不超过1%，完全满足环境监测的需求。

图6 实测温度时程曲线

表3 某化工车间一天的温度实测数据