光纖光柵傳感器陣列在空間溫度場測量中的應用

張佳斌,賀 慶,張青超

(北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院,北京 100191)

1 引 言

溫度用于表征物體的冷熱程度,而溫度場是物質系統內各個點上溫度的集合,它反映了溫度在時間和空間上的分布[1]。在電力、石油、化工等許多領域都涉及到對溫度場信息的采集,對溫度場的研究和精確測量,對我們的生產和生活有著十分重要的意義[2]。

在工業生產中使用的燃燒鍋爐、各類發動機燃燒室以及各類易燃氣體運輸裝置[3],都需要對溫度場進行實時在線監測,以提高能源利用率、減少有害物質的排放,保護人們的人身財產安全。在日常生活中,在影院、劇院、商場等人群聚集地[4],需要保持良好的通風狀況和穩定的溫度場分布,合理的溫度場分布和良好的氣流組織,可以讓人們在這些場合有更好的舒適感。可見,確保空間溫度場的合理性,實現空間溫度場的實時監測,對于人們安全生產和健康生活,以及提高能源的利用率,減少大氣污染具有十分重要的意義。現在用于測量溫度場的方法有熱紅外成像技術,但是其主要用于固體物質溫度的測量,不適合于對空間溫度場進行測量[5-6]；國內對氣體介質進行溫度場測量的研究,主要利用聲學測量方法,該測量方法具有測溫范圍寬、測量空間大、非接觸等優點,但由于目前技術不成熟,很少有實際應用[7]；而利用傳統溫度計對空間各個點進行逐一測量的方法,空間分辨率較低,無法適用于復雜多變的環境。

本文提出一種基于光纖布拉格光柵(Fiber Bragg grating,FBG)傳感器陣列的方法,應用于空間溫度場的研究。FBG傳感器作為一種新型傳感器,相對傳統傳感器具有質量小、體積小、無源；高靈敏度、高分辨率；易復用、易組網、易遠程和分布式傳感；以及抗輻射、電磁干擾等諸多優點[7-9]。本文中,利用多個FBG傳感器布置成陣列,進行多點測溫,實現了空間溫度場的測量。該方法提高了空間溫度場的測量效率,尤其適合應用于高電磁輻射的復雜工況下,為空間溫度場的研究提供了一種有力的測量工具。

2 原理分析

FBG是光纖纖芯折射率周期性變化而形成的一種全光纖無源器件。由于周期性折射率的擾動僅會對較窄的一段光譜產生影響,因此,當寬帶光波在光柵中傳輸時,入射光將在相應的頻率上被反射回來,其余的投射光波則幾乎不受影響,這樣FBG實際上就起到了光波選擇反射鏡的作用[10]。

由耦合模理論,FBG傳感器反射回的中心波長λB、光柵周期Λ和有效折射率neff滿足關系:

λB=2neff·Λ

(1)

當寬帶光在FBG中傳輸時,就會產生模式耦合,滿足反射條件(1)的光被反射。當光柵處的溫度發生變化時,將導致各光柵間的距離及纖芯折射率的變化,從而使FBG的中心波長發生位移,通過監測波長的位移情況,即可得到代表溫度的變化情況。

3 系統實現

3.1 設計方案

溫度場測量系統設計框圖如圖1所示,該系統主要由封裝好的FBG,解調儀和上位機三大部分組成。上位機作為控制器,在工作時間內,實時掃描各個FBG的波長,根據上位機的算法公式,一個波長對應于一個溫度值,因此,上位機可實現實時監測FBG溫度傳感器陣列中各點的溫度值,并將測量結果實時存儲。從而實現現場多點溫度的遠端監控。

圖1 系統設計框圖

3.2 傳感器封裝

本系統使用的是普通的單模石英光纖,FBG由紫外激光刻寫。圖2是在金屬基底表面粘貼FBG溫度傳感器的封裝方案,其基底材料選用熱膨脹系數較大的鋁材料,裸FBG兩端用DP420環氧膠固定在基底材料上,基底的柵區處留有凹槽。在點涂環氧膠的時候,光纖應處于自然伸展彎曲狀態。這樣封裝,一方面可以增加傳感器的靈敏度,當溫度變化時,通過基底材料的熱膨脹可以增大FBG的縱向應變,從而增大FBG的感溫靈敏度。另一方面可以保護傳感器的柵區,避免外力的損害。

圖2 基底封裝方法

3.3 傳感器陣列設計

本系統中使用FBG溫度傳感器,實現系統的多路測溫,以達到測量局部空間范圍的溫度場的目的。FBG采用如圖3所示的陣列式排布。

各傳感器之間的間隔為2 cm,測溫過程中,將傳感器陣列固定在鐵架上。這樣的陣列排布方式能防止FBG傳感器之間的相互影響,能使傳感器與空氣充分接觸,同時能夠提高空間測量的分辨率。

圖3 FBG傳感器陣列

3.4 FBG傳感信號解調技術

本系統采用激光掃描解調儀對FBG信號進行解調,系統的整體架構如圖4所示。掃描激光器輸出的掃描激光經過隔離器和耦合器入射到FBG,被光柵反射后經過耦合器送到光電轉換模塊,經信號采集后,通過串口將相應的數據送到上位機進行顯示和處理。上位機向下位機發送命令,實現對下位機的控制,上位機接收數據,處理數據,然后對數據進行擬合,最終得到FBG反射譜的中心波長及波長對應的溫度值。

圖4 傳感器解調系統架構

4 系統測試

4.1 FBG溫度標定

在溫度場測量之前,本文采用FLUKE公司的型號為7381的水浴箱對五個不同波長的FBG溫度傳感器進行溫度標定。在標定實驗中,分別取五個標準溫度值,將五個傳感器同時放置于水浴箱中進行標定,其標定結果如表1所示。圖5將其中的FBG-1,2,3,4,5傳感器測量結擬合成曲線。

從表1以及圖5中可以看出,它們的確定系數(R-Square,R)均大于0.999。其中,“確定系數”是通過數據的變化來表征一個擬合的好壞,它的正常取值范圍為[0,1],越接近1,表明方程的變量對y的解釋能力越強。可見,這里的溫度和波長之間有良好的映射關系,FBG的波長隨著溫度的變化而發生穩定的漂移。可見,五個FBG傳感器性能穩定,具有良好的一致性。

表1 FBG傳感器隨溫度變化標定結果(單位:nm)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

4.2 實驗平臺

本實驗在干燥的室內環境下進行,濕度為35 %,室內溫度為26 ℃。本文采用精良和科技制造,型號為P320F的環保恒溫加熱臺作為面熱源,加熱臺金屬面板長50 cm,寬40 cm。實驗布置如圖6所示。

在實驗過程中,分別將加熱板調節到250 ℃、200 ℃、150 ℃和100 ℃,在這四個溫度值下,分別用上述FBG傳感測試系統進行溫度場測量,并且反復實驗,得到一組數據。實驗過程中需要避免外力導致的空氣流動以及保持室溫的恒定。對于FBG陣列中每一個傳感器要有良好的一致性,而且傳感器與傳感器之間的間隔在實驗過程中要保持一致。

圖6 實驗布置圖

4.3 數據擬合與分析

在相同的熱源溫度下,在各個位置進行多次測量,從距離熱源2 cm的位置作為起始點,每間隔2 cm作為一個測量點,共測10個點。將各位置點的測量數據取8次進行平均,作為該位置的測量結果。分別對面熱源溫度為100 ℃、150 ℃、200 ℃和250 ℃四種情況下測得的數據進行處理,并分別與相同位置處使用電子溫度傳感器DS18B20測得的結果進行對比,得到如圖7所示的溫度場曲線圖。

圖7 不同溫度值下的溫度場曲線

根據圖7分析,在距離熱源2cm范圍以內,其溫度值幾乎是階躍式跳變——溫度值急劇下降,從2 cm位置以后,其下降趨勢變得平緩,最后趨于室溫值。但不同溫度值之間又略有差別,當熱源的溫度值越高,其溫度值趨向室溫需要的距離越遠,反之則相反。

對四組數據進行擬合,要求其擬合結果的確定系數均大于0.995,標準差均小于0.8。經計算,可以得出其擬合曲線都符合一元三次方程,其一元三次方程式為:

y=p1x3+p2x2+p3x+p4

(2)

其中,在不同熱源溫度值下的擬合方程式的系數如表2所示。

表2 不同熱源溫度值下擬合方程式的系數對照表

5 結 語

該系統提出一種利用FBG溫度傳感器構成陣列進行空間溫度場測量的方法。該傳感器具有體積小巧,精度高,抗電磁干擾,易于遠程及分布式測量的優勢。適合于復雜電磁環境下精確定位的空間溫度場分析。該系統可實現實時溫度場數據的采集與監控。經實驗驗證,采用多個FBG溫度傳感器組成的單排陣列,可測得與之垂直的方向上的溫度梯度變化,結合多個測量點與熱源的位置關系,得到了面熱源附近的溫度場分布情況。通過該測量系統,建立了面熱源溫度、空間位置與空間點溫度之間的映射關系,構建了數學模型。為空間溫度場測量提供了一種有效的解決方案。