光纖光柵傳感在機房溫度監測的應用研究

秦鑫

摘要：光線光柵在傳感領域已經逐步成為一個主流器件用來對溫度，應力，壓力，電流等參數的測量。本文對光纖光柵在溫度測量方面的應用展開了研究討論。通過測量光纖Bragg光柵的反射中心波長隨溫度的偏移量，驗證在一定范圍內，反射波長與溫度成正相關的理論，并根據這個關系制作一套光纖光柵溫度傳感器系統，討論對學校總機房溫度檢測的運用。

關鍵詞：光纖光柵;傳感器;溫度;反射波長

一、前言

光纖光柵是利用光纖的光敏特性制成的。所謂光敏特性是指激光通過摻雜光纖時，光纖的折射率將隨光強的空間分布發生相應變化的特性，而在纖芯內形成的空間相位光柵，其實質就是在纖芯內形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡，利用這一特性可制造出許多性能獨特的光纖器件來，它們都具有反射帶寬范圍大，附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其他光器件兼容成一體，不受環境塵埃影響等一系列優異性能。

近年來，光線光柵在傳感領域方面已經逐步成為主流器件用來對溫度，應力，壓力，電流等參數的測量。尤其是隨著經濟的發展，我國基礎設施建設的規模不斷加大，新建的高樓、道路、橋梁、大壩幾乎到處都是。對于這些建筑物健康狀況的傳感、測控成為一項重要課題。加拿大通信中心的Hill等人在1978年首次在摻鍺光纖中采用駐波寫入法制成光纖Bragg光柵。使得光纖光柵傳感器和傳感技術已經成為科學研究和技術開發的熱點。

二、光纖bragg光柵傳感器

光纖Bragg光柵折射率變化的周期一般為0.1um量級。它可將入射光中某一確定波長的光反射，反射帶寬窄。在傳感器領域，均勻光纖Bragg光柵可用于制作溫度傳感器、應變傳感器等傳感器;在光通信領域，均勻光纖Bragg光柵可用于制作帶通濾波器、分插復用器和波分復用器的解復用器等器件。

光纖光柵溫度傳感器與傳統傳感器相比有許多自身的優點。主要特點表現為：靈敏度高，體積小，耐腐蝕，抗電磁輻射，光路可彎曲，便于遙測，根據光纖光柵技術的溫度傳感器，我們采用波長編碼技術，從而消除了光源功率波動及系統損耗的影響，因此適用于長期監測，而且由多個光纖光柵組成的溫度傳感系統。只要采用一根光纜，就可以實現準分布式測量。光纖光柵溫度傳感器是一種新型的光子無源器件，該類型的溫度傳感器的主要部件就是布拉格光。通過芯層摻鍺等元素，使得芯層的折射率比包層的折射率大，這樣就形成了導波，使得光信號可以在芯層中傳播，當芯層折射率受到周期性地調制以后，布拉格光柵就形成了。布拉格光柵對入射光有選擇性地反射作用，當入射光的波長滿足布拉格發射條件的時候，經過調制，入射光就不會透過光柵，而是被光柵完全反射回去了。

對于光纖光柵溫度傳感器而言，外界對布拉格波長的影響是有熱膨脹效應與熱光效應引起的。布拉格發射的中心波長是隨著纖芯的有效折射率和光柵的周期而變化的。當外部條件發生變化的時候，由于的光纖的熱光效應，光纖的折射率將隨之變化，又由于熱膨脹效應，光柵的周期也將隨之改變。

光纖的熱膨脹系數與熱光系數是之和我們叫稱之為光纖的溫度系數，也叫作溫度靈敏度。在溫度范圍較小的情況下，對特定的光纖光柵而言，溫度系數是一個定值。常溫下光纖光柵的溫度系數大約是7.5×10-6/℃。所以我們對每一個特定的傳感器就可以通過實驗定邊的方式來求得溫度系數。

三、光纖光柵溫度系統的設計

（一）光纖光柵溫度系統工作原理

光纖bragg光柵的溫度傳感器系統的基本原理是監測被Bragg光柵反射回來的波長信號的波長漂移量，把這個波長漂移量與溫度對應起來，作為被測函數。光柵的入射光是一個寬帶光源，通過光柵的時候，滿足布拉格條件的波長信號被光柵反射回去，經過光譜儀觀察得到的是一個窄帶光譜。還有一部分的光經過光柵，沒有被反射回去而是透射過去，經光譜儀觀察得到的是一個有部分缺失的寬帶光譜。在一定范圍內，被光纖Bragg光柵反射會來的波長的漂移量是和外界的溫度變化成正比的，這個正比系數即是光纖Bragg光柵的溫度系數，也稱為溫度靈敏度。

（二）光纖光柵溫度系統函數測定

對于一根未知的光纖Bragg光柵，它的溫度系數是不知道的，需要我們通過實驗來確定，具體的操作如下：

因為Bragg反射波長變化與溫度變化量所成的線性關系，我們在實驗中只要通過測量Bragg波長的漂移量與溫度的變化量，就可以計算出它們之間的正比系數。我們先把光纖Bragg光柵放入冰水混合物之中，測得此時的反射波長，即攝氏零度時所對應的反射波波長值;接著將Bragg光柵放入沸騰的水浴之中，測得此時的反射波長，即攝氏100度時所對應的反射波波長值。隨后的操作是至100攝氏度起，溫度每下降5攝氏度，記錄一次光譜分析儀所顯示的反射波長值。這樣做完以后剛好是溫度從零攝氏度開始，溫度每上升5攝氏度，測得一個相對應的反射波長值，一直到100攝氏度為止。為了測量能夠更加準確，進行多次測量求平均值。最后得出波長與溫度的線性關系式。

通過擬合直線我們得到這條光纖bragg光柵波長與溫度的關系曲線：

λB=1.18×10-2·T+1548.01

（其中λB為光譜儀測得波長，T為溫度）

根據上述實驗測得數據得出的線性關系函數，我們就可以通過光譜儀測得波長的數值來測溫了。

四、光纖Bragg光柵在學校機房溫度監控中的運用暢想

前面提到，光纖光柵溫度傳感器與傳統傳感器相比有許多自身的優點。主要特點表現為：靈敏度高，體積小，耐腐蝕，抗電磁輻射，光路可彎曲，便于遙測，根據光纖光柵技術的溫度傳感器，我們采用波長編碼技術，從而消除了光源功率波動及系統損耗的影響，因此適用于長期監測。而且由多個光纖光柵組成的溫度傳感系統，只要采用一根光纜，就可以實現準分布式測量。基于光纖光柵自身的這么多優點，它被廣泛地應用于醫學磁共振，流體溫度及壓力測量，電力系統監測，建筑物于橋梁內部溫度監測，航天航空業等等，可見其有著良好的市場前景。光纖光柵溫度傳感器正在成為全光網絡及其余多個領域中的主流器件。

基于我校總機房實際，設備間電子器件繁多，設備線路眾多。特別是有些設備需要24校不間斷供電運行，因此產熱量較大，如遇到線路老化或者設備短路等情況，會有引起設備燒壞，甚至機房火災的風險。因此基于光纖的種種優秀特性，可以嘗試運用光纖溫度計對每個設備實行分布式實時溫度監測，并將數據實時反饋給管理人員。這樣既保證了學校設備安全，也在 一定程度降低了機房由于過熱引起火災的風險。

參考文獻：

[1]楊永才.光電信息技術[M].華東大學出版社，2005.

[2]蒲濤，張秋芳，陳鵬.光纖光柵技術與應用專題講座（一）第1講 光纖光柵的原理及其制作方法[J].軍事通信技術，2008，29（03）：96-99+104.

[3]張向東，李育林，王衛平，洪新華，彭文達，武翠琴.傳感用光纖光柵寫入技術的研究和發展[J].激光技術，2004（05）：506-509+520.

[4]陳艷，王海燕，張朋，王寧.簡述光纖溫度傳感器的原理及應用[J].傳感器世界，2008，14（12）：23-27.

[5]董杰.光纖溫度監測系統的設計[J].中國儀器儀表，2009（03）：92-94.

[6]賀園，盧會群.光纖Bragg光柵光譜特性研究[J].桂林電子科技大學學報，2009（06）：459-462.

[7]周洪娟，鮑振武，張勛勇.光纖光柵的最新發展及其應用[J].光纖與電纜及其應用技術，2004（03）：12-17+38.

[8]李靖，劉微，劉佳.基于BP網絡的光纖光柵傳感器對溫度和應變的同時測量[J].石家莊鐵路職業技術學院學報，2009，8（04）：46-49.

[9]李愛群，周廣東.光纖Bragg光柵傳感器測試技術研究進展與展望（Ⅰ）：應變、溫度測試[J].東南大學學報（自然科學版），2009，39（06）：1298-1306.

[10]姚楠.光纖光柵傳感技術淺析[J].艦船電子工程，2010（02）：27-28.