啁啾型FBG溫度測試系統的設計與實現

孫 琪，徐子奇，劉智超,2，王美嬌

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啁啾型FBG溫度測試系統的設計與實現

孫 琪1，徐子奇1，劉智超1,2，王美嬌1

（1.長春理工大學光電信息學院，吉林 長春 130022；2.長春理工大學 光電工程學院，吉林 長春 130022）

為了實現長距離、大范圍的溫度在線監測，設計了基于啁啾調制技術的光纖布拉格光柵溫度監測系統。采用線性啁啾結構獲得更大回波帶寬，從而在單根光纖上集成更多的FBG探測器。計算了光柵尺寸、啁啾系數與光柵周期的函數關系，設計了調制方式及范圍。實驗由寬帶光源、光纖及耦合器、FBG探測器及F-P解調儀組成，調制范圍為1530.0～1550.0nm。對15℃～55℃內溫度進行測試，測溫結果與WR-220型溫度探測器作對比，結果顯示，均勻型FBG與啁啾型FBG的溫度檢測結果基本一致，精度均滿足設計要求。但采用啁啾型FBG的系統回波帶寬大，可調制能力強，單根光纖上可載入FBG探測器數量是均勻型FBG系統的3倍以上。該結構在不增加硬件的基礎上提高了系統的測溫能力，具有很好的實用性。

光纖布拉格光柵；啁啾調制；波分復用；溫度測試

0 引言

對溫度的實時檢測在生產、生活等各個方面均有應用，可以大范圍、快速地實現對多個位置溫度的在線監測具有重要的實際意義[1]。目前，大范圍的溫度監測網絡被各國研究機構廣泛關注。

根據溫度測試的設備的工作機理可大致分為以下幾類[2-6]：煤油溫度計、應變式溫度計、熱電阻型溫度計、熱電偶型溫度計、數字溫度計和光纖光柵測溫系統等。煤油溫度計工作原理簡單，成本低，但是需要人工讀數，不適合大范圍快速數據采集；應變式溫度計結構簡單、有較高的魯棒性，但測試周期長、外界應力會產生溫度誤差；熱電阻型溫度計精度高，但其熱慣性大，易受振動干擾；熱電偶型溫度計便宜、有一定的抗干擾能力，但精度低、測溫范圍小；數字溫度計靈敏度高，但傳輸距離受數字信號線制約明顯，在大范圍檢測領域應用困難；光纖光柵測溫系統精度高、抗干擾能力強，是目前測溫探測技術的主要研究方向，測試大范圍、長距離具有很好的優勢，但其單根光纖載入光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating，FBG）測試端的個數一直是制約其廣泛應用的軟肋，故設計可以提高光纖布拉格光柵測溫系統帶寬及帶負載能力具有重要意義[7-8]。

針對傳統的均勻型光纖布拉格光柵的探測端完成改良，提高其回波光譜帶寬，設計了啁啾調制光柵結構[9]，從而增加了系統帶FBG個數的能力；同時，采用波分復用技術[10]（Wavelength Division Multiplexing，WDM）實現了對回波信號波長偏移量調制并識別的相應功能，保證了測溫精度。

1 系統設計

相比傳統的FBG而言，采用啁啾調制的測溫系統需要引入波分復用調制器，系統結構如圖1所示。由光纖耦合器完成光路分束，一束進入測試區域，另一束引入到解調儀中。FBG在測試區域中采集溫度數據，由于溫度變化導致光柵的形變，從而使光柵周期發生規律性變化，故溫度與回波光波長存在一定的函數關系，由此實現對溫度的測試及標定。在傳統FBG系統中，光柵采用均勻結構，所以其回波的中心波長是一定的，整個系統中可以攜帶的FBG個數是有限的，很難實現大范圍、多點位的測試，采用啁啾技術實現波分復用可以大大提高原有系統的帶FBG能力。

圖1 啁啾型光纖光柵測溫系統

2 啁啾調制技術

在均勻FBG中，光柵Bragg波長[11]B為：

式中：表示光纖折射率；表示光柵周期。

光纖光柵回波波長B與被測溫度符合以下關系：

式中：表示光纖熱膨脹系數；表示光纖熱光系數；表示光纖彈光系數，表示形變量。簡化后有：

由(3)式可知，波長變化量與溫度變化量呈線性關系。

啁啾調制光纖的結構如圖2所示，不同波長的光信號會根據不同的光柵周期而反射回來，當可以采用啁啾調制時，就能實現在一根光纖上載入更多的FBG探測器，一套系統就能完成多點位的溫度監測，由此大幅提高回波信號的帶寬。采用有效的濾波手段抑制由于帶寬增大過程中而產生的波長偏移的問題，就等保證一定的檢測精度。

圖2 光纖內啁啾分布結構

相比傳統的光纖探測器，因為FBG的波導模的折射率發生了一定的變化，故其對應的折射率為：

式中：n()是系統折射率對應的調制性能；是干涉條紋的可見度；()是光柵周期；()是啁啾調制函數，均勻光纖光柵的()為0。

當用啁啾光柵時，光柵周期產生的變化為：

式中：是光柵的尺寸；是啁啾系數；是位置。將該式代入式(1)后，則系統的折射率產生了變化，即由啁啾調制完成折射率的周期變化，故使回波信號的波長產生線性變換。由于不同光柵周期產生的回波信號的波長是不盡相同的，所以系統的帶寬得到了擴展。

3 波分復用

采用啁啾調制技術可以使系統的帶寬增大，即提高了系統載入FBG探測器的數量。但是，因為采用大帶寬的調制結構，使波長偏移的計算受到了限制，所以，回波光的各個波長產生的偏移量會對溫度檢測產生一定的影響。采用波分復用技術[11]，對信號光進行調制，產生線性變化效果，再由解調儀完成對應點位波長值的計算。針對某一被測波長而言，光信號僅受溫度變化而使波長產生相應的偏移，即在被測區域內相應的測試點的波長偏移量由溫度變化所決定。而在大帶寬的信號解調中引入波分復用技術可以有效抑制溫度改變造成的測溫精度下降的問題。

設啁啾帶寬有，波分復用的調制函數有()，對應的波長是[1，]，當溫度為t時，偏移量有D。第個波長對應的回波信號[12]可表示為：

給定合適的邊界條件，即：

(7)

當系統參數符合(4)式時，回波的各個波長就不會產生混迭現象了，故每個探測點位的波長可以被求解。由于系統采用線性調制結構，故回波光的波長偏移量僅受對應位置的溫度的影響，所以可通過波長偏移量計算溫度值。

4 多點位溫度實時監測實驗

4.1 測試環境

采用WR-220型溫度探測器對0℃～1000℃的溫度變化進行監測，FBG探測器分布于被測區域。FBG采用線性啁啾調制，啁啾系數為0.980nm/cm，調制度為1.43×10－4。光柵尺寸長120.0mm，其對應的中心波長為1538.5nm。系統的調制帶寬范圍是1530.0nm～1550.0nm，再由F-P光纖解調儀完成解調。

4.2 測試光譜

光源采用光強穩定的寬帶光源，當光進入啁啾型光纖光柵時，因為光纖光柵的柵距各不相同，所以不同波長的光以不同的形式入射到解調儀，最后通過放大、濾波獲得目標光的光譜分布，從而實現對被測區域的溫度檢測。由啁啾FBG得到的光譜分布見圖3。該回波帶寬20.0nm，與均勻光纖光柵相比，帶寬得到了大幅提高，實現了在整個區域內完成不同中心波長的調制設計。

4.3 溫度實驗數據與分析

在被測區域中放置加熱棒，溫度會隨著加熱時間增加而升高，采用精度優于0.2℃的溫度探測器進行監測，溫度從15℃到55℃，記錄每1℃變化均勻FBG和啁啾FBG的波長變化情況以及其反演的溫度數據，實驗數據見表1。

從表1中可以看出，溫度在15℃到55℃范圍內變化時，采用WR-220型溫度探測器可以對被測區域內溫度進行實時監測。但采用該儀器的缺點在于僅能對某個固定點位進行測試，并且測試距離受數據傳輸線距離的約束，故影響其在大范圍溫度檢測的應用。采用FBG完成溫度檢測的精度略高于熱釋電探測器，均勻型FBG和啁啾型FBG的溫度測試誤差基本在一個數量級。原因是兩種FBG的溫度檢測原理一致，都是利用溫度與回波波長的函數關系進行反演計算的。測試結果顯示，1℃的溫度變化約引起0.04nm的回波波長漂移。由數據分布可知，啁啾型FBG的測試數據中波長偏移量更穩定，具有更好的溫度測試精度，使溫度溫度的魯棒性更高。采用啁啾型FBG具有明顯的帶寬優勢，可以在同一根光纖上載入更多的FBG測試端，這樣在大范圍的溫度監測中具有巨大的優勢。相比傳統的均勻型FBG，一根光纖中FBG數一般不超過10個，而采用啁啾型FBG，一根光纖中可以載入35～45個相同的FBG，擴容能力大幅提高，由此證實了該系統設計具有很好的應用價值與前景。

圖3 啁啾型FBG的光譜回波數據

Fig.3 Spectrum data of chirped FBG

表1 啁啾型FBG與均勻型FBG溫度實驗數據

4 結論

結合啁啾調制和波分復用技術，設計了基于啁啾FBG的實時溫度測試系統，該系統相比原有光纖光柵測溫系統而言，在不添加硬件的基礎上，可以載入更多的FBG探測器，從而使系統測溫能力大幅提升，符合長距離、大范圍實時溫度監測的設計要求。通過實驗可知，系統的測溫精度優于0.5℃，具有較好的穩定性及抗干擾能力，單根光纖上的FBG載入數是傳統均勻型FBG測溫系統的3倍以上，具有很好的實用價值。

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Design and Implementation of Chirped FBG Temperature Test System

SUN Qi1，XU Ziqi1，LIU Zhichao1,2，WANG Meijiao1

（1. College of Optical and Electronical Information Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China;2. School of Optoelectronic Information, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China）

In order to achieve long-distance, large-scale, real time temperature monitoring, temperature detection system was designed based on chirped fiber Bragg grating for more FBG sensor integrated on a single optical fiber. The functional relationship of Raster size, chirp factor and grating period was calculated. Modulation mode and modulation range was designed. In the experiment, the system was composed of a broadband light source, fiber optic, coupler, FBG detector and F-P demodulator, and so on. Its modulation range was 1530.0-1550.0nm. The temperature was tested by system within 15℃-55℃. Temperature results were compared with WR-220 type temperature detector. The results show that the temperature test results were basically the same by the uniformity FBG and chirped FBG, and its accuracy can meet the design requirements. However, the echo bandwidth was wider, and modulation capability was stronger by the system using chirped FBG. In a single fiber, the amount of loaded FBG detectors can be more than three times to which of uniform type FBG system. The design of system can significantly improve the ability of temperature detection without additional hardware, which has a good practicability.

fiber Bragg grating，chirp modulation，wavelength division multiplexed (WDM)，temperature test

TN713

A

1001-8891(2016)11-0920-04

2016-06-13；

2016-08-17.

孫琪（1983-），女，吉林長春人，講師，碩士，主要研究方向：光電檢測、光纖通信等。E-mail：sunqinuc@sina.com。

徐子奇（1984-），女，吉林長春人，講師，主要研究方向：光學設計等。E-mail：ldmnuc@sina.com。

國家自然科學基金（60637010）；吉林省教育廳“十二五”科學技術研究規劃項目：基于光纖布拉格光柵網絡的糧倉溫度監測系統（吉教科[2014]B060）。