光纖熒光接觸式測溫系統研究及實現

孫 巖

（福建省計量科學研究院，福州 350003）

在科學實驗研究和工業生產控制當中，對溫度的檢測都尤為重要，其不僅反應了被測量參數，還關系著其他相關物理量信息以及整個生產控制的運行，因此對溫度的測量要求在不斷提高。在當前常用的測溫方法當中，熱電偶、熱電阻以及其他類型的溫度傳感器，通過測量傳遞電信號來獲得被測量，在高電壓、大電流的工作環境中易受到影響[1-2]。紅外測溫儀非接觸式測溫方法需要知道被測物體的發射率，對測量環境也有很高的要求[2]。光纖熒光測溫技術的發展，為高電壓、強電磁干擾等惡劣環境下的測溫提供了可能。

光纖熒光測溫技術具有電絕緣、耐高壓、安全性能高等優點，同時光纖體積小可彎曲，便于安裝使用[3]。本文設計研究的光纖熒光壽命式溫度檢測系統，首先可以解決熱電阻類傳感器測溫方法的局限，使系統應用于更廣泛的測溫領域。其次系統光路以及電路的優化設計考慮到商品化生產的需求，能夠實現集成化使測溫系統易于實現。同時，數據處理方法的研究能夠實現熒光壽命的誤差補償，從而提高測溫系統的檢測精度和穩定性。

1 熒光測溫機理

熒光是一種光致發光現象，由入射光照射發光材料外部產生[4]。在發光材料分子吸收激勵光光能后，光子的能量使原子核周圍的一些電子發生能級躍遷，從基態躍遷至激發態。激勵光消失后，激發態電子在重新回到基態的過程中以熒光的形式自發輻射出多余能量，產生熒光余輝[5-6]。熒光余輝曲線的衰減規律可以用下式表示：

式中，I(t)為熒光強度；I0為激勵光關斷時熒光信號的初始光強；τ 為熒光壽命；t為測量時間。根據熒光能級理論以及玻爾茲曼分布定律，得到熒光壽命與溫度信息如下所示：

式中， ΔE為能級差；RE、RT、k為常數；T為絕對溫度。可見熒光壽命τ 隨溫度 T的變化而改變，呈反比關系[7]。因此，可以通過采樣熒光余輝曲線得到熒光壽命信息，從而實現溫度的檢測。

2 系統流程設計

依據光纖熒光壽命式測溫方法的原理分析，可以實現光纖熒光測溫系統的優化設計。測溫系統主要由光路部分、電路部分以及數據分析部分構成，總體結構流程圖如圖1所示。

圖1 熒光測溫系統結構流程圖

根據圖1可知，熒光測溫系統的具體工作原理為：光纖熒光傳感探頭接觸溫度測量點，系統硬件電路中的光源驅動電路來驅動激勵光源發出激勵光。激勵光通過濾光片進行光信號處理后，進入光纖傳至包含熒光材料的傳感探頭處。熒光材料受到激發后發出的熒光按照原光纖路徑傳至濾光片，經過濾光后通過光電轉換電路進行光電轉換，產生的電流信號再依次通過放大電路及濾波電路處理后采樣得到較平穩的電信號，此電信號即為熒光余輝曲線。余輝曲線經過壽命檢測算法等數據算法處理后得到熒光壽命與溫度擬合關系，從而轉化得到被測溫度。

3 系統硬件設計

3.1 光路設計

光路的設計主要涉及傳感探頭設計和光信號傳輸設計，關系到信號的傳輸效率、傳輸損耗，以及光纖熒光溫度傳感器的體積等[8]。光路設計圖如圖2所示。

圖2 光路傳輸設計

圖2 中，傳感探頭的設計將熒光材料與光纖緊密連接，實現受激信號的傳輸功能。其中熒光材料選擇了一種含銪元素的熒光粉，光纖選擇石英光纖。設計的傳感探頭滿足抗震、抗壓、抗化學腐蝕等實際應用性能，并且體積輕巧，結構嚴密。濾光片 1是薄膜干涉濾光片，起到的是分光片的作用，能夠使激勵光和熒光分離，即激勵光只能通過濾光片 1反射到凸透鏡上，而熒光可以透過濾光片 1。濾光片2的作用是濾除熒光中摻雜的少量紫外激勵光和雜散光，且將熒光直接反射到光電探測器上。此光路優化設計占用空間小，器件放置容易，且能夠滿足低漏光、信號高效傳輸的標準。

3.2 電路設計

電路設計主要由光源驅動電路、光電轉換電路、放大及濾波電路組成。

1）光源驅動電路

激勵光源的激發光譜范圍需要與熒光材料吸收光譜相匹配。根據選擇的稀土熒光材料的光譜特性，采用紫外發光二極管作為系統的激勵光源[9]。可調整光強的光源驅動電路如圖3所示。經過三極管放大的周期性脈沖電流激勵紫外LED產生脈沖波，從而得到周期性熒光余輝曲線。

圖3 光源驅動電路

2）光電轉換電路

光纖熒光測溫系統中，選擇硅光電二極管作為光電轉換器件，光信號轉換后的電流信號很小，因此還需要通過反饋電阻與運算放大器的連接實現I/V放大轉換。由于放大轉換電路中光電二極管和運算放大器工作時會產生熱噪聲和散粒噪聲[10]，會引起光電轉換信號的噪聲干擾，因此設計光電轉換電路時還需要注意反饋電阻、運算放大器等元器件的選擇。光電轉換電路如圖4所示。

圖4 光電轉換電路

3）放大濾波電路

光電轉換電路中由于要實現電流-電壓的轉換且電流信號較微弱，電路需要有較高的信噪比使信號盡量不失真，所以反饋電阻受到限制不能過大，致使轉換后的電壓信號依舊很小，不能滿足系統信號的采樣要求。因此在實際系統搭建中，需要通過二級電壓放大電路對電壓信號進行進一步放大，并配合濾波環節對信號進行處理，消除系統中高頻噪聲的干擾以提高系統信噪比。

4 系統數據處理

根據熒光壽命式測溫原理可知，與溫度直接相關的參數為熒光壽命，因此得到余輝曲線后需要通過數據處理獲得準確的熒光壽命，從而實現溫度的測量。

4.1 壽命檢測算法

實際工程應用中，光纖熒光測溫系統存在空間雜散光以及光電轉換器件暗電流的影響，會對測得的熒光余輝曲線引入直流分量[11]，因此實際熒光余輝曲線應表示為以下形式：

式中，I0為熒光初始光強；Id為直流分量；τ 為熒光壽命。由式（3）可知當采樣時間t趨近無窮遠時，采樣到的被測信號I(t)接近直流分量Id，因此系統采樣時可以在激勵光關斷較長時間后，測得輸出信號作為直流分量。

目前常用的熒光壽命檢測算法有傅里葉法、最小二乘法、積分法等，通過仿真實驗分析，適合本系統的檢測算法為積分法。積分法需要先將采樣到的余輝曲線減掉直流分量的影響，再對其進行積分，如下式：

4.2 壽命補償方法

理論上認為熒光余輝曲線呈指數形式衰減，但是在實際測溫系統應用過程中發現，由于硬件電路中小慣性環節的影響，導致采樣的熒光余輝曲線呈非線性變化。因此，需要對熒光壽命進行補償以消除非線性影響。

1）數據模型建立

為了討論驗證補償方案的可行性，本文利用Matlab軟件中的Simulink組件搭建熒光光纖測溫系統仿真模型。根據模型輸出的余輝衰減曲線數據，對曲線進行采樣區間依次遞推。利用積分法來求取各遞推區間熒光壽命，得到有慣性環節影響的實際遞推區間熒光壽命與無慣性環節影響的理想遞推區間熒光壽命對比信息，如圖5所示（圖中給定熒光壽命為3ms）。

圖5 實際情況與理想情況熒光壽命對比

2）壽命補償策略分析

根據上述分析，可以將得到的有慣性環節影響的熒光壽命作為預估壽命τ0（按照實際工程可選擇幾段指數性較好的遞推區間的壽命平均作為τ0），然后根據預估壽命信息進一步得到補償信息進行補償以得到準確壽命。結合大量仿真實驗數據發現，可以采用多項式補償策略和模糊補償策略兩種方法進行熒光壽命的補償處理，具體方案流程圖如圖6所示。

圖6 補償策略

根據數據分析可知，若在不同熒光壽命下改變采樣點時光強差的變化趨勢相同，則可將光強差delta與采樣點ti及預估壽命τ0的關系擬合成多項式delta=a(τ0)ti+b(τ0)，然后直接從余輝曲線光強處進行多項式補償。多項式補償方案具體步驟為首先得到預估壽命τ0后，將τ0和采樣點時刻 ti均代入擬合公式delta=f (τ0, ti)中，得到采樣時刻為ti時余輝曲線需要補償的光強差，對光強進行補償后即可得到無慣性環節影響的準確余輝曲線，從而通過壽命檢測算法得到準確熒光壽命τ。考慮到溫度檢測系統中采樣的是反映熒光余輝的光信號，具有時變性，因此也可以應用模糊策略，通過對隸屬度函數的選擇以及模糊控制規則的確定，實現對熒光壽命的誤差補償。其具體步驟為根據積分法得到預估壽命τ0后，將其作為模糊策略輸入信息輸入到建立的模糊結構中，得到輸出的補償信息Δτ。然后對預估壽命進行智能化的誤差補償即得到準確的熒光壽命τ。本系統應用的模糊結構為雙輸入單輸出的推理系統[12-13]。

3）補償結果對比

利用部分仿真實驗數據對上述兩種補償方法進行結果驗證，誤差結果絕對值對比如圖7所示。

圖7 補償方法結果對比圖

根據圖7可知，兩種補償方法都可以在一定程度上補償預估壽命與理想壽命之間的誤差。按照實際工程經驗，溫度變化 1℃時熒光壽命大約變化0.006ms。將上述熒光壽命偏差換算成溫度偏差，多項式補償方法最大偏差約為1.5℃，模糊補償方法最大偏差約為0.5℃。因此，模糊補償的補償效果更適合本系統應用。

5 整機實驗測試

利用Labview編寫熒光光纖測溫程序可以實現在線監測，配置恒溫油槽、精密水銀溫度計等設備自主搭建整機實驗測試平臺，對熒光光纖溫度檢測系統進行溫度測量結果檢驗。從室溫開始對恒溫油槽進行間隔溫度點升溫，將光纖傳感探頭和水銀溫度計置于其中，待測溫結果穩定后，記錄下溫度計與測溫系統的測量結果。以各個溫度點下溫度計的測量結果為橫坐標，測溫系統的誤差結果為縱坐標，繪出重復性測量結果的誤差曲線，如圖8所示。

圖8 實驗測試結果分析

單個溫度點下，多次測量結果的標準差σ 為

式中，n為測量的次數；Ti為第i次的測量結果；T為n次測量結果的平均值。根據測量數據可以計算得到測溫范圍內σmax約為0.3℃，符合系統要求。同時從圖8中可以發現，單個溫度點下，多次測量結果的相對誤差一定范圍內收斂，說明測量結果的穩定性較好，系統可以實現在穩定狀態下的連續測溫。若研發完成的溫度檢測系統要滿足商品化的應用需求，在完成自主整機實驗測試后，還需要到有資質的計量檢定機構進行計量器具的檢定或校準，以完成國家基準的量值溯源和量值傳遞。

6 結論

設計完成的熒光光纖接觸式測溫系統可以實現0～200℃的連續測溫，測溫性能良好。光路以及電路的優化設計可以滿足工業生產的要求，可用于電力行業、化工行業等常規溫度傳感器難以應用的場合及各種惡劣環境，在工業生產中有著廣泛的應用前景[14-15]。

[1] 武金玲, 韓登科, 李翠萍. 基于熒光機理的光纖溫度測量技術的研究[J]. 微計算機信息, 2008, 24(25):154-156.

[2] 宋偉, 李東堅, 謝偉, 等. 電氣設備中遠距離熒光測溫技術研究[J]. 光子學報, 2014, 43: 1-6.

[3] 文江林, 潘曉蘇, 林應文. 基于光纖熒光的電力設備溫升在線監測系統研究[J]. 沈陽工業大學學報,2005, 27(4): 435-438.

[4] 吳萌. 1,8-萘酰亞胺衍生物摻雜凝膠材料的熒光性能及機理研究[D]. 上海: 華東師范大學, 2010.

[5] 孟振興, 隋濤, 任貴文, 等. 基于積分法熒光光纖溫度傳感器[J]. 科技信息, 2011(22): 138-140.

[6] Ageeth A B, Beek R V, Ferwerda J, et al. Temperature dependence of the luminescence of nanocrystallline CdS/Mn2+[J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2003, 64(2): 247-252.

[7] 李彥, 王艷紅, 張陳, 等. 基于熒光光譜的溫度采集系統設計[J]. 電子世界, 2014(19): 150.

[8] 關曉平. 一種新型的熒光光纖溫度測量系統[J]. 傳感器技術, 2001, 20(4): 20-22.

[9] 楊丙成, 譚峰, 陳令新, 等. 一種以發光二極管為激發光源的熒光檢測器[J]. 分析測試學報, 2003, 22(3):22-24.

[10] 付文羽, 彭世林. 硅光電二極管在光電檢測電路中的應用研究[J]. 許昌師專學報, 2001, 20(5): 19-22.

[11] 賈丹平, 高鵬, 傘宏力. 熒光余輝測溫法中的數據處理[J]. 沈陽工業大學學報, 2006, 28(5): 542-545.

[12] 張杰. 模糊控制在烘干系統中的應用[J]. 科技創新與應用, 2013(8): 12-13.

[13] Zhao Xiongfei, Liu Yongbao, He Xing. Fault Diagnosis of Gas Turbine based on Fuzzy Matrix and the Principle of Maximum Membership Degree[J].Energy Procedia, 2012, 16: 1448-1454.

[14] 徐鈺山, 黎敏. 低成本的光纖熒光溫度傳感器[J].傳感器世界, 2012(11): 12-19.

[15] 張月芳, 葉林華, 裘燕青. Cr3+: YAG光纖熒光溫度傳感器[J]. 傳感技術學報, 2004(4): 668-671.