光纖光柵環境溫度實時監測系統研究

鄭 潛

（武漢光谷光聯網科技有限公司,湖北 武漢 430000）

環境監測和保護是全人類共同的職責，但環境各項參數并不是通過肉眼就能觀察到的，必須依賴于各類先進的環境監測傳感器[1-2]。這些傳感器的原理和應用場合各不相同，其中，光纖光柵傳感器具有耐腐蝕、耐高溫、抗干擾、結構緊湊、精度高、適合遠距離傳輸等優勢，從而在環境監測領域逐漸得到廣泛的應用。

1 光纖光柵環境監測傳感器應用現狀

光纖光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）傳感技術是以光纖為傳導媒介，把待測的各種物理量轉變為光的特性變化，從而間接測得所需的物理量[3-4]。與傳統的傳感器類型相比，光纖光柵傳感器可以滿足實時監測、在線監測和分布式監測等特殊檢測需求，與當前環境保護領域的快速檢測需求具有非常高的契合度。經過國內外學者堅持不懈地努力和研究，目前已經可以實現對環境中多種氣體和水質指標進行監測的目標[5-8]。在氣體監測方面，目前光纖光柵傳感器已經可以完成氨氣、二氧化氮、甲烷、乙炔等多種氣體的實時監測。在水質監測方面，目前光纖光柵傳感器已經可以完成pH、含氧量、離子類型以及濁度等水質參數的快速檢測。

光纖光柵傳感器是在光纖技術的發展下逐步發展起來的，相對于傳統的傳感器設備和儀器有著許多特殊的優勢，因此近年來受到了更加廣泛的關注。隨著光纖光柵傳感技術的日益成熟，光纖光柵傳感器將在環境監測領域發揮更加重要的作用。

2 光纖光柵溫度傳感器原理分析

在環境條件保持穩定時，光波在光纖介質中傳播的特性也呈現出穩定的特點。但是，當外部環境發生變化時，光波就會受到相應的調制作用，從而出現一定的變化。通過光電敏感器件對這種變化進行識別和測量，即可計算出外部環境變化的情況。在環境中，溫度是一個極為重要的物理量，它對光纖光柵傳感器的影響也是十分明顯的，因此可以通過光纖光柵傳感器進行精確的溫度監測。

根據模式耦合理論，一個具有一定帶寬的光源發出的光波，在經過光纖光柵時，并非所有光波都會向前傳播，其中有一部分光能量會向后反射回來[9-10]。實際上，被反射回來的這部分光波的波長是滿足布拉格條件的，而不滿足布拉格條件的光波都會向前傳輸或被吸收。

光纖布拉格光柵的折射率沿z軸的分布可以用式（1）描述：

其中，neff表示有效折射率，Λ表示光柵周期。由式（1）不難發現，neff和Λ兩個參數共同決定了中心波長λB，如果兩個參數中至少有一個發生改變，那么中心波長一定會發生移動。在環境監測系統中，當傳感器所處環境的溫度、應變等條件發生改變，那么neff和Λ也會隨之改變，最終導致中心波長λB的改變。

對式（21）兩邊取微分，得：

顯然，只要知道了波長漂移量，就可以推導出外界環境中如溫度、應變或壓力等物理量的變化，從而實現環境監測的目的。實際上，對反射光波的波長變化量進行精確測量是非常困難的，因此，在實際工作中并不直接對波長變化量進行測量，而是通過其他的參量來進行間接推導。

3 光纖光柵解調系統設計

光纖光柵傳感器的物理媒介是光波，但實際工作中要測量的往往是溫度和應變等物理量。將光學特性轉換為實際物理量的過程稱為光纖光柵解調，解調是實現光纖光柵傳感器應用的前提，因此本文設計了圖1所示的光纖光柵解調系統。

圖1 光纖光柵的解調過程原理圖

寬帶光源發出一束光波，光波照射到傳感光柵模塊上，光柵中不滿足布拉格條件的波長成分將會直接透射過去，只有少量滿足布拉格條件的波長成分會被光柵模塊反射回來。對于這部分反射回來的光，需要知道其波長的變化情況，但直接測量比較困難。因此，將反射光導入到一個可調的光纖F-P濾波器上，然后采用間接測量的方案。

首先對反射光進行窄帶掃描，被掃描的光波段被接收器接收后轉換為光譜分布，該光譜分布實際上是受到了波長的調制的。接下來將光譜分布轉換為電流信號，該電流的大小可以直接表征光強的大小，但電流值通常是非常微弱的，還需要通過放大電路進行放大。經過放大并整形的電流信號被轉換成了脈沖電壓，該脈沖電壓由單片機進行接收并鎖定其上升沿和下降沿，在此期間采用計時器進行計數，當計時中斷信號被觸發時的計數值，就是壓電陶瓷施加在光纖F-P濾波器上的電壓值。根據傳感器的標定曲線，即可計算出反射波的中心波長和波長變化量，從而演算出環境溫度的真實值。

4 危險區域溫度監測系統研究

4.1 監測方案的選擇

危險區域具有很高的危險性，如高壓線路、強電磁輻射區域等，如果安排人員到達現場進行溫度的測量，很難保證安全性。因此，危險區域的環境監測通常利用遠程監測系統。無論是高壓環境還是強輻射環境，都會對一般的電子系統產生干擾，電磁兼容問題難以解決。而光纖光柵傳感器是以光纖和光波為載體的，對電磁輻射不敏感，因而非常適于危險區域的環境監測。

4.2 系統總體架構設計

本文設計的光纖光柵溫度監測系統總體架構如圖2所示。系統由現場部分和遠程監控部分組成，兩者之間通過移動通信網絡進行數據傳輸。其中，現場部分安裝在危險環境中，主要包括GSM發射器、單片機、光纖光柵傳感器、電源等，遠程監控部分則由GSM接收器、從機和上位機構成。

圖2 系統總體架構

光纖光柵溫度傳感器在采集到光信號后，由單片機進行解調并計算出實時溫度值，然后通過RS-485串行總線將溫度值傳輸至GSM模塊中，GSM模塊會對溫度信號進行編碼，并通過移動通信網絡發送出去。遠程監控中心在接收到數據后進行解碼，并通過顯示設備實時顯示出來，從而實現危險區域的遠程環境溫度實時監測。

4.3 關鍵設備選型分析

4.3.1 單片機選型

在危險環境中，要求系統的設備具有很好的穩定性。單片機作為系統的控制模塊，對所有的模塊進行協調控制，并負責信號的處理，應滿足成本和性能的基本要求。本文采用宏晶科技生產的工業級STC12C5A60S2型單片機，其內部結構如圖3所示。

圖3 STC12C5A60S2型單片機片上資源及結構

該器件采用增強型8051 CPU，工作頻率為0～35 MHz，工作溫度范圍在-40～85 ℃之間，應用程序空間最高可達62kB，片上集成1 280B RAM，自帶EEPROM功能，內置4個16位定時器、2路PWM、8路10位精度ADC。該器件具有高性能、低功耗、超強抗干擾的優點，完全可以滿足系統設計的要求。

4.3.2 GSM模塊選型

對于危險區域的溫度監測，還需要滿足遠程操作和數據傳輸的要求。由于危險區域不適合大規模布線，因此監測系統的數據傳輸宜采用無線傳輸方案。通過在硬件系統中集成TC35型GSM模塊，即可實現通過移動通信網絡來傳輸監測數據的目的。TC35是Siemens公司研發的無線通信GSM模塊，支持數據和語音傳輸、短消息服務和傳真，是一款常用的高性價比GSM器件。

4.4 系統軟件設計

系統軟件采用可視化編程語言VB6.0開發，可實現實時溫度在線監測、智能分析處理、實時溫度預警、歷史數據存儲與查詢等功能。在軟件中，每個功能模塊設計一個子程序來實現，最后通過主程序的統一調用，實現系統功能。程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

系統開機后，由主程序自動調用系統初始化程序，完成各硬件設備工作的準備。接下來，由用戶通過鍵盤和顯示器完成光纖光柵傳感器的信息配置，如傳感器名稱、安裝位置、測點位置、初值等，同時還要配置好GSM的信息，包括目標IP和端口，以便向遠程監控中心傳輸數據。用戶還需要對每個測點的溫度閾值進行設置，以保證當溫度超出預定范圍后可以及時觸發報警。完成以上步驟后即可啟動光纖光柵解調程序，然后與光纖光柵傳感器建立串口連接，同時向GSM接收端發起連接請求，并建立TCP長連接。如果串口緩存空間中已經采集到數據，即可將其讀取出來。此時讀取到的是光的波長信號，但系統所需的是溫度值，因此需由主程序調用解調程序，對光波信號進行解調得到溫度值。該溫度值會通過GSM發送程序實時發送到遠程監控中心。

遠程監控中心調用GSM接收程序完成溫度數據的接收，并根據用戶設定的閾值對實時溫度進行比較，如果溫度超出了設定的閾值范圍，那么立即調用預警子程序在系統界面中發出預警信號，必要時可以通過短信的方式向管理員發送預警短信。如果溫度值在正常范圍內則無須預警，將數據直接存入數據庫中備查即可。

5 系統測試及數據分析

5.1 系統測試

在解調子程序中讀取并保存光柵反射峰的中心波長值，如果光路上串接了多個光纖光柵傳感器，那么就會接收到多個相應的峰值波長。當外部環境溫度發生變化時，每個光纖光柵中心波長也會相應地出現偏移。為了測試不同溫度環境下的系統性能，本文采用水浴法進行測試，即將光纖光柵浸泡到水中，對水進行加熱以獲取所需的溫度。通過高精度溫度計來測量實際水溫，測量精度精確到0.1 ℃，每隔5 ℃記錄下相應數據，與光纖光柵中心波長一同記錄下來。測試系統中共串聯了7個光纖光柵傳感器，所得波長信息如表1所示。

5.2 數據分析

測試中對一條光路上的7根光纖光柵進行溫度標定實驗，獲取其中心波長并尋找它與溫度的關系。表2所示為其中一根光纖光柵的標定數據，為減少實驗誤差，實驗重復進行了3組。

對以上中心波長與溫度關系數據進行最小二乘法擬合，即可得到光纖光柵的標定曲線，如圖5所示。

表1 各傳感器的峰值波長及峰值能量

表2 實測溫度-波長數據

圖5 光纖光柵標定曲線

5.3 系統的應用

為了驗證本系統設計的合理性，將該系統放到了某化工車間內進行試運行。由于化工車間內有多種有毒氣體，在生產期間人員不能隨意進入，因此采用本系統進行車間室內溫度監測。系統測得某一天的溫度數據如表3所示，將數據以曲線的形式展示如圖6所示。

如圖6所示，工藝溫度控制曲線與實測溫度曲線基本吻合，最大誤差不超過1%，測量精度遠超工藝要求的5%，完全可以滿足環境監測需求。

6 結論

危險區域的環境監測通常利用遠程監測系統，而光纖光柵傳感器對電磁輻射不敏感，非常適于危險區域的環境監測。本文設計的光纖光柵溫度監測系統由現場部分和遠程監控部分組成，通過移動通信網絡進行數據傳輸，由單片機進行解調并計算出實時溫度值。如果溫度超出了設定的閾值范圍，能夠及時發出預警信號。測試和應用結果都表明，系統運行可靠、測量精確、預警及時，最大誤差不超過1%，完全滿足環境監測的需求。

圖6 實測溫度時程曲線

表3 某化工車間一天的溫度實測數據