张志华，朱斌
（1.海军驻连云港七一六所军事代表室，江苏连云港222006；2.江苏自动化研究所，江苏连云港222006）
光栅温度传感系统的设计与应用
张志华1，朱斌2
（1.海军驻连云港七一六所军事代表室，江苏连云港222006；2.江苏自动化研究所，江苏连云港222006）
系统地分析光纤光栅传感原理及技术特点，综合提出一种采用可调谐滤波器的波长解调方案。由于可调谐滤波器输入输出具有非线性的特点，且随时间、温度发生变化，所以系统中加入透射型标准具对其进行实时标定。在一个扫描周期中，标准具透射等间隔的窄带波峰，通过测量每个扫描周期标准具输出的窄带波峰，即可对可调谐滤波器进行标定。系统中采用DSP作为信号采集装置，通过USB 2.0口将采集数据传送给PC机，进行数据处理和图形显示。
光纤布拉格光栅；波长解调；DSP；折射率；透射型标准具
光纤光栅是一种新型的光子器件，基于光纤光栅的传感器是近年来发展最为迅速、应用最为广泛的光纤传感器之一，目前，光纤光栅的传感器已成为结构健康诊断的先进技术手段之一[1]。波长解调方法是光纤光栅传感器获得推广和发展的技术核心。
1 光纤布拉格光栅传感原理
光纤光栅就是利用光纤中的光敏性制成的。光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的本质就是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。这些器件具有反射带宽范围大、体积小，易与光纤耦合，不受环境尘埃影响等一系列性能。
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感的原理：宽带光信号经过光栅时，入射光能在相应频率上被反射回来，其余光谱不受影响，这样光纤布拉格光栅就起到光波选择反射镜的作用。当光栅周围的待测物理量发生变化时，将导致光栅周期的变化，从而产生光纤布拉格光栅反射波长的位移，通过检测并计算布拉格波长的位移，即可获得待测物理量的变化，如图1所示。
图1 光纤Bragg光栅传感原理
光纤光栅满足Bragg条件[2]：
式中：Λ是光栅周期；neff为反向耦合模的有效折射率。因为光栅周期Λ是沿光纤轴向分布的，所以在外界信号如温度场、应变场的作用下，光纤将产生轴向应变和折射率变化Δneff，光栅周期也随之变化ΔΛ，对式（1）进行微分得：
由弹性力学可知，光纤光栅中心波长ΔλB随温度和轴向应变的变化可表示为：
式中：εα为轴向应变；p11和p12为光纤材料的光弹性系数；μ为光纤材料的泊松比；α为光纤的热膨胀系数；ξ为热光系数；ΔT为温度变化量。对于锗硅光纤，把材料各特性参数代入式（3）可得：
式中：Pe为光纤光栅应变灵敏度系数。由式（4）可以看出，波长漂移与应变和温度成线性关系。所以通过对FBG反射波长进行测定，解调出波长变化ΔλB，即可获知结构的温度、应变等外界条件的变化。
由公式（4）可得，温度变化引起的布拉格波长漂移为[3]：
式中：Δλt为温度变化引起的波长漂移；λB为光纤光栅不受应变作用下的中心波长；K为光纤光栅相对温度灵敏度系数。在通常情况下，当光纤光栅材料选定后，温度灵敏度系数K保持常数。
由公式（4）可得，应力应变引起的布拉格波长漂移为[4]：
式中：Δλε为应变引起的波长漂移；λB为光纤光栅不受应变作用下的中心波长；Pe为光纤的弹光系数；ε为外加轴向应变；K为光纤光栅相对应变灵敏度系数。在一般情况下，当光纤光栅材料选定后，应变灵敏度系数K保持常数。
2 波长解调系统方案
选取可调谐滤波法进行波长解调[5]，具体实施方案如图2所示。
图2 波长解调方案图
光源发出的宽带光直接射入可调谐滤波器[6]，在控制信号的周期作用下，由可调谐滤波器输出与之对应波长的窄带光波，把周期性扫描的窄带光波经过耦合器被分成两路。使其中一路经过光隔离器和耦合器入射到待测传感光栅和参考光栅上，入射光扫描到该传感光栅和参考光栅的特征波长时，经光耦合器反射到PIN管（光电二极管）；另一路光信号经光隔离器和耦合器入射到标准具，标准具透射的等间隔波峰进入另一路PIN管，这一部分用来对可调谐滤波器进行标定。经过PIN管光电转换得到的微弱电信号，需要通过信号调理电路进行进一步的放大、调理，经过A/D采样后，由微处理器进行滤波、波峰检测等处理并存储，然后通过USB 2.0高速串行口发送到PC主机[7]，进行后续处理。DSP同时控制输出三角波信号作为可调谐滤波器的扫描驱动电压。
3 温度试验
下面做0～50℃的升温试验。试验过程如下：将温度传感器置于高低温试验箱中，温控精度0.1℃。在0～ 50℃之间改变温度，每次改变10℃，温度变化缓慢可以认为是准静态过程，每次测量都等到温度已经稳定下来。记录并计算不同温度下光纤温度传感器的反射波长值，得出波长变化量与温度变化之间的关系。升温试验界面显示如图3所示。
图3 升温试验界面图
通过对表1数据进行线性拟合，得到光纤传感器反射波长与温度的对应关系，传感光栅的反射波长与温度的关系为：
表1 升温试验的数据
4 结论
通过以上试验可以看出，反射波长随温度的变化具有良好的线性度，光纤光栅温度传感器反射波长的温度系数为9.6 pm/℃，与该传感器的原始标定数据基本一致。
[1]田石柱.结构健康监测新型传感器：光纤Bragg光栅[J].低温建筑技术，2002（4）：42⁃43.
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[5]张昕明，余有龙，朱勇.光纤光栅传感系统信号解调技术[J].光电子技术与信息，2002，15（4）：17⁃20.
[6]宋明，谢芳，冯其波.可调谐滤波器的研究进展[J].光学仪器，2006，28（5）：81⁃85.
[7]马伟.嵌入式USB主机系统的研究与设计.计算机测量与控制，2003，11（5）：381⁃384.
Design and application of fiber Bragg grating temperature sensing system
ZHANG Zhi⁃hua1，ZHU Bin2
（1.PLA Representative Office Based in JARI，Lianyungang 222006，China；2.Jiangsu Automation Research Institute，Lianyungang 222006，China）
The fiber grating sensing principle and technology character are systematically analysed and then a scheme of wavelength demodulation with tunable filter is put forward.As the input and output of the tunable filter are nonlinear and change⁃ful with time and surrounding temperature，an AERF（athermal etalon reference filter）is added to the system which can cali⁃brate the tunable filter in real time.During a scanning period，the AERF outputs a set of equal interval narrowband peaks mea⁃sured in every scanning period，so the tunable filter is calibrated.DSP performs as signal gathering device in the system.The gathered data are transferred to the host PC through USB2.0 interface in high speed mode.The host PC is responsible for the later data processing and the graphic display.
fiber Bragg grating；wavelength demodulation；DSP；refractive index；AERF
TN710⁃34；TP212
A
1004⁃373X（2015）09⁃0141⁃02
张志华（1977—），男，工程师，河南开封，硕士。主要研究方向为舰艇作战指挥与自动化。
朱斌（1981—），男，江苏南京人，工程师，硕士。主要研究方向为传感器。
2014⁃12⁃02
