基于光纖布拉格光柵傳感器的溫度測量系統設計

摘要：針對井下溫度測量中傳統傳感器體積大、測量精度低等問題，設計了一種基于光纖布拉格光柵（fiberBragg grating，FBG）傳感器的溫度測量系統。首先，介紹了光纖光柵研究現狀和FBG 傳感技術原理，分析了FBG 傳感器在井下溫度檢測中的優勢；其次，設計了基于FBG 傳感器的溫度測量系統，其主要由電源模塊、主控模塊、FBG 傳感器、光源發射模塊等構成；最后，對該系統進行溫度測量實驗。結果表明，該系統的溫度測量值在設定溫度附近波動較小，重復實驗一致性較高，證明系統能夠有效測量井下管道內流體的溫度，可以應用于復雜的井下環境。

關鍵詞：溫度測量；光纖傳感器；光纖布拉格光柵

中圖分類號：TH811 文獻標識碼：A

0 引言

井下溫度監測是保障安全、提高石油開采效率和實現智能管理的重要環節，對石油開采工作具有重要的實際意義。在復雜的井下環境中，及時、準確的溫度數據能夠有效支持決策，提升整體工作效率和安全性。傳統的電傳感器體積大、功耗高、造價貴、測量復雜、測量精度低，通常不能在井下高溫高壓的環境下正常使用。針對這一問題，設計了一種基于光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating，FBG）傳感器的溫度測量系統，該系統能進行遠程、在線和分布式多點檢測，具有抗電磁干擾、耐高溫高壓、可重復利用等優點。同時，該系統的體積較小，實現了系統的微型化。本文對井下溫度測量的研究具有重要意義，并且具有良好的應用前景和推廣價值。

1 光纖光柵研究現狀

光纖光柵具有光纖傳感的共性優勢，還具有損耗低、制作簡單、性能穩定、易于與系統和其他光纖設備相連等特點，是目前較為常用的無源濾波器件。光纖光柵技術具有多種形式：①均勻光纖光柵。其可以提供單一波長的精確反射，通常用于高精度的溫度和應變測量，其具有簡單的結構并且易于制造和應用，能夠在特定波長下具備穩定的反射特性。②相位位移光纖光柵。通過引入相位跳變，相位位移光纖光柵能夠實現復雜的反射波形設計。這種設計使得傳感器在特定條件下能夠更靈敏地響應環境變化，適用于高動態范圍和高分辨率的應用場景。③傾斜光纖光柵。其將傳感功能擴展到光纖的包層，從而對環境變化進行更加全面的監測。這種類型的光柵可用于提高傳感器對橫向應變和溫度變化的靈敏度，適合于土木工程結構的健康監測。④長周期光纖光柵。其主要用于芯模與包層模的耦合，能夠有效實現波長轉換和模態轉換，廣泛應用于光纖放大器和光纖傳感器的設計，這種光柵在通信和信號處理領域也具有重要的應用價值。⑤多波長光纖光柵。其在單一光纖中可以實現多點或多參數測量，極大提高了傳感系統的效率和靈活性。這種特性使得多波長光纖光柵在復雜環境中，能夠同時監測多個物理量，如溫度、壓力和應變等。

近年來，研究人員提出了多種改進和優化方案，以提升光纖光柵傳感器的檢測性能，包括結構原理仿真和制造工藝的創新。在高溫環境下，光纖光柵傳感器的性能指標不斷提升。相關學者設計并制作了一種高溫應變傳感器，該傳感器能夠單獨檢測溫度和應變，經標定實驗驗證，傳感器在工作溫度為100 ～ 1000℃ 的范圍內線性度良好[1]。

本文通過設計基于FBG 傳感器的溫度測量系統，在高溫環境下模擬井下溫度測量，通過分析實驗數據，驗證了光纖傳感技術精準測量井下溫度的可行性。

2 FBG傳感技術原理

FBG傳感技術利用光波在光纖介質中的傳播特性進行精確測量，其核心原理是光纖內部存在周期性的折射率變化，這種變化通常通過紫外線照射等方法在光纖芯中形成，當入射光的波長與光柵的布拉格波長一致時，即滿足布拉格反射條件，特定波長的光會被反射，而不滿足布拉格反射條件的波長則可以自由通過[2]。FBG 的波長選擇性反射特性使其成為高精度傳感器，其對溫度和應變較為敏感，這些物理量的變化會引起光柵參數（如周期和折射率）的微調，從而導致反射波長的變化[3]。

FBG 通過強光干涉條紋照射光纖芯，使得光纖特定區域的折射率出現周期性變化，從而影響光信號在光纖中的傳輸路徑，當寬帶光信號進入光纖并到達光柵時，特定波長的信號會被反射，而其他波長的光則繼續沿光纖傳播，這使得FBG 具備過濾光波的功能。光柵反射的光波波長λ_B需滿足：

FBG的有效折射率和柵距是直接影響波長偏移的關鍵因素，溫度會對這兩個因素產生影響，因此環境溫度成為光柵可直接檢測的參數。FBG傳感原理如圖1 所示。

當光柵的環境溫度變化時，由于熱效應的影響，柵距會發生改變。同時，有效折射率受熱敏效應的作用也會出現相應變化，進而導致波長的改變[4]。當環境溫度波動較小時，光柵的波長變化可以通過下式表示。

光柵只能直接測量溫度。對于壓力、速度、位移等其他參數，需要對傳感器進行封裝，利用不同的封裝結構將待測參數的變化轉化為光柵的應變，從而建立待測參數與光柵波長之間的關系[6]。

3 FBG傳感器在井下溫度檢測中的優勢

FBG 傳感器憑借其高精度、抗干擾、耐高溫和耐腐蝕等性能，在井下溫度檢測中展現了顯著優勢。通過實時、可靠的溫度監測，能夠有效提高井下作業的安全性和效率，促進資源的有效、穩定開采。FBG 傳感器的主要優勢如下。

3.1 高精度與靈敏度

FBG 傳感器主要是通過光柵的反射波長變化來感知溫度變化，可以精確測量反射波長的微小變化。FBG 傳感器波長與溫度之間的關系是線性的，這確保了即使是微小的溫度變化也能被準確轉換為波長變化，從而提高測量的精度。

FBG 傳感器使用石英光纖，其具有良好的熱穩定性和敏感性，對溫度變化較為敏感。FBG 傳感器在井下溫度檢測中的高精度和靈敏度使其成為理想的選擇，能夠實現對環境溫度變化的準確、可靠監測，進而保障井下作業的安全與效率。

3.2 抗電磁干擾、抗振性與耐久性

FBG 傳感器的工作原理基于光纖光學，因此不受電磁干擾的影響，適合在高電磁干擾的井下環境使用，其可以確保測量的穩定性和可靠性。同時，光纖的韌性使其在井下振動和沖擊中表現良好，能夠長期穩定地進行溫度測量。

3.3 耐高溫、耐腐蝕與多點測量能力

FBG 傳感器特殊的材料和設計，使其能夠在高溫和腐蝕性環境中工作，適用于石油、天然氣等井下開采過程，確保長期穩定的溫度監測。同時，一根光纖可以集成多個傳感器，實現對井下多個位置的同時監測，簡化了布線和安裝過程，降低了系統成本。

3.4 小型化與靈活性

FBG傳感器體積小、質量輕，適合在空間有限的井下環境中安裝，易于滿足不同的監測需求。

4系統硬件電路整體結構

根據FBG 傳感器的優勢，本文設計了基于FBG傳感器的溫度測量系統，該系統的硬件電路主要包括電源模塊、主控模塊、光纖布拉格光柵傳感器、光源發射模塊（信號發射電路）、信號調理模塊（信號放大電路和信號濾波電路）等，如圖2 所示。

如圖3所示，本系統選用單片機TMS320F28379D作為主控模塊芯片，該芯片具有較好的耐高溫特性，還擁有強大的實時處理能力，可以實現對數據的高速采集與處理。啟動光源，將光信號發送至光纖。當光信號到達FBG 傳感器時，FBG 會根據其溫度變化反射出特定波長的光。布拉格波長隨溫度變化而改變，并且二者呈線性關系。反射回來的光信號通過光纖傳輸至光譜分析儀，光譜分析儀通過分析、對比反射光的波長，計算出溫度變化值。反射波長與溫度的關系滿足式（5）。通過上述流程，FBG 可以實現高精度的井下溫度測量。

5 溫度測量實驗結果

采用溫度測量實驗對基于FBG 傳感器的溫度測量系統進行測試，實驗具體流程如下。

（1）準備工作：提前檢查測試電路板、穩壓電源、光譜分析儀是否能夠正常工作，各個部分的接線是否有疏漏，確保線路沒有錯接。

（2）給電路板穩定上電，時刻關注電源的電流，電流突變對電路板會造成一定損壞，甚至破壞整個實驗裝置，所以穩定電路的電流是溫度測量系統重要的一環。

（3）控制高溫烘箱的溫度范圍為85 ～ 175℃，每隔10℃ 設置一個采樣點，共10 個，依次檢測溫度。

（4）重復記錄A、B、C 組的實驗數據，對比聲波測溫值，分析實驗結果。

本實驗使用高溫烘箱來控制不同的環境溫度，在進行井下管道內流體溫度測量試驗時，將烘箱溫度分別設置為85℃、95℃、105℃、115℃、125℃、135℃、145℃、155℃、165℃、175℃，共10 個測量點。同時，本實驗通過分析對比聲波測溫的結果來驗證基于FBG 傳感器的溫度測量系統精準度，溫度測量結果如表1 所示。

從表1 中可以看出，3 次重復實驗的數據具有較高的穩定性和一致性，測得的溫度值在設置值附近有較小的波動。結果表明，本文設計的系統能夠有效測量井下管道內流體的溫度信息，且該系統的結構簡單、穩定性強、功耗低，與傳統測溫系統相比更適用于井下溫度監測。

6 結語

本文首先介紹了光纖光柵研究現狀和FBG 傳感技術原理，分析了FBG 傳感器在井下溫度檢測中的優勢，設計了基于FBG 傳感器的井下溫度測量系統，以及系統的整體電路結構和各個模塊電路。此外，在高溫環境下進行溫度測量實驗，對比聲波測溫來驗證該系統溫度測量的精確度與穩定性。結果表明，該系統能夠有效測量井下管道內流體的溫度信息，且該系統的結構簡單、穩定性強、功耗低，相較于傳統測溫系統，其更適用于井下溫度監測。