基于DSP光纖光柵溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

彭云峰，舒 暢，周 坡

（武漢軍械士官學(xué)校 光電系，湖北 武漢 430075）

0 引言

光纖布喇格光柵傳感器屬于波長調(diào)制型光纖傳感器，具有不受光源功率波動和系統(tǒng)損耗等獨特的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航天、船舶、電力、石油及醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域，是目前光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點。在光纖光柵傳感系統(tǒng)中，中心波長位移的精確測量決定傳感信號的精度[1-2]，因此對傳感信號的精密解調(diào)是光纖光柵傳感器實用化的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在對電力設(shè)備的溫度在線監(jiān)測課題進行研究的基礎(chǔ)上，通過分析光纖光柵溫度傳感的原理，論證了光纖光柵測溫的可行性，并且提出了一種基于DSP光纖光柵溫度解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計方法，根據(jù)該方法設(shè)計并研制了電力設(shè)備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 光纖光柵溫度傳感原理

光纖光柵測溫技術(shù)是以光柵傳感器為核心，根據(jù)不同溫度反射的波長變化而實現(xiàn)溫度測量。如圖1所示，當(dāng)一寬帶光源注入光纖，將產(chǎn)生模式耦合，其中波長為Bλ的光會被布喇格光柵有效反射，而其他波長的光則透過布喇格光柵繼續(xù)傳播。

由耦合模理論[3]，光纖布喇格光柵(FBG)的中心反射波長可表示為：

式中，effn 為光纖纖芯的有效折射率，Λ為光柵的周期。

圖1 光纖光柵傳感光路

對式(1)求導(dǎo)可得：

式(4)表示了光纖光柵波長變化與溫度變化的對應(yīng)關(guān)系。

由式(4)可知，當(dāng)光纖光柵受到外界溫度影響時，會使光纖布喇格光柵中心波長發(fā)生移動，通過檢測光纖布喇格光柵中心波長Bλ的變化即可以檢測出待測溫度。

2 溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

根據(jù)工程的實際需要，選擇了布喇格光柵測溫技術(shù)方案進行溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。圖2為系統(tǒng)硬件原理框圖，該監(jiān)測系統(tǒng)主要由光柵溫度傳感器、波長解調(diào)單元、工業(yè)控制計算機3大部分構(gòu)成。系統(tǒng)波長解調(diào)單元主要由寬帶光源，F(xiàn)-P腔可調(diào)諧濾波器，校準(zhǔn)裝置，DSP系統(tǒng)，A/D、D/A模塊以及光電探測模塊組成，該解調(diào)單元采用波分復(fù)用的方式完成對信號的采集處理[4]。

圖2 系統(tǒng)硬件原理框

圖2中，由DSP系統(tǒng)生成驅(qū)動電壓的數(shù)字量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬鋸齒波電壓，驅(qū)動可調(diào)諧濾波器（Fabry-Perot）工作在周期性的濾波掃描狀態(tài)，從而使透過F-P可調(diào)諧濾波器光的波長發(fā)生改變。寬帶光源經(jīng)過F-P腔體濾波器調(diào)諧后輸出離散光譜信號，該波長相連的脈沖光經(jīng)耦合器進入傳感光纖光柵FBG陣列，波長相連的脈沖光序列經(jīng)過串聯(lián)的布喇格光柵時，會反射與該光柵中心波長匹配的單脈沖光，當(dāng)脈沖光與傳感光柵反射波的中心波長完全匹配時，其反射波的光功率達(dá)到極大值(呈波峰狀)，這樣，每一個傳感光柵都會反射回與之唯一對應(yīng)的反射波，這些反射光再送到光電探測模塊，光電探測模塊進行光電轉(zhuǎn)換，放大，濾波等處理后將微弱的光信號轉(zhuǎn)化為具有一定幅值的電信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，由DSP系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，從而得到每個傳感器的波長以及溫度值，最后數(shù)據(jù)送到上位機進行實時監(jiān)控[5-6]。

為了克服F-P腔可調(diào)諧濾波器腔長漂移（溫漂）以及驅(qū)動元件的非線性特性引起的測量精度，本系統(tǒng)利用光纖梳狀濾波器提供參考點，實現(xiàn)對光纖布喇格光柵中心波長的標(biāo)定，這種校準(zhǔn)方法能較好的解決以上問題，大大提高波長的測量精度[7]。

2.2 軟件設(shè)計

在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要由波長采集、溫度轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)圖形顯示等模塊組成。

2.2.1 波長與溫度轉(zhuǎn)換

由于被監(jiān)測點的實時溫度值，對應(yīng)于標(biāo)定時采用的波長值。這就需要進行一定的波長—溫度轉(zhuǎn)換，從而更方便的完成系統(tǒng)溫度監(jiān)測。具體做法是將光纖光柵傳感器放置于恒溫箱中，傳感器與解調(diào)儀依次連接。恒溫箱從5～60℃間隔5℃調(diào)節(jié)溫度一次，先降溫后升溫循環(huán)3 次。每個溫度點連續(xù)采集1 000次后取平均值作為該溫度點對應(yīng)的波長值，實驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 5～60 ℃通道1傳感器溫度—波長對應(yīng)關(guān)系

2.2.2 波長與溫度關(guān)系擬合

對表1中的1號傳感器的波長—溫度進行3次多項式擬合，擬合結(jié)果為：

式中，T為溫度值，l為解調(diào)儀返回的波長值。圖3和圖4分別為波長-溫度擬合曲線及其殘差。

圖3 波長-溫度擬合曲線

圖4 波長-溫度擬合殘差

由圖 3和圖 4可知，曲線擬合的標(biāo)準(zhǔn)差為0.248 46，擬合溫度值與實際溫度值之間的偏差如表2所示。結(jié)果表明，擬合值與實際值最大誤差只有0.106 5 ℃，完全滿足工程應(yīng)用需要。

表2 擬合溫度值與實際溫度值比較

3 系統(tǒng)安裝及數(shù)據(jù)分析

設(shè)計好的光纖光柵溫度傳感器采用串聯(lián)的方式粘貼安裝在電力設(shè)備上，為防止光纖因外力碰撞造成損傷，傳感器置于該電力設(shè)備金屬波紋管內(nèi)[8]。系統(tǒng)試運行一段時間后進行溫度數(shù)據(jù)分析，從圖 5記錄的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)中，可以看出溫度監(jiān)測結(jié)果正常。

4 結(jié)語

文中主要介紹了光纖光柵溫度傳感原理，并且提出了一種基于DSP的光纖光柵溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方法，該系統(tǒng)硬件部分利用DSP技術(shù)構(gòu)建了FBG解調(diào)模塊[9-10]，為保證測量精度，系統(tǒng)采用光纖梳狀濾波器進行校準(zhǔn)。軟件部分通過波長采集、溫度轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)圖形顯示等模塊實現(xiàn)了溫度的在線監(jiān)測。目前，該系統(tǒng)已應(yīng)用于電力設(shè)備的溫度監(jiān)測，系統(tǒng)試運行的結(jié)果，證明了該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速的信號處理以及高精度的波長解調(diào)，其監(jiān)測點的溫度在線監(jiān)測結(jié)果，驗證了系統(tǒng)的可靠性。

圖5 某監(jiān)測點11月份監(jiān)測數(shù)據(jù)

[1] 舒暢,涂建華,李衛(wèi)東.WDM-PON采用 SOA實現(xiàn)無色光傳輸[J].通信技術(shù),2011,44(09):42-44.

[2] 禹大寬,喬學(xué)光,賈振安,等.光纖光柵傳感系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].傳感器技術(shù), 2005,24(03):4-6.

[3] 靳偉,廖延彪,張志鵬,等.導(dǎo)波光學(xué)傳感原理與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,1998.

[4] KERSEY A D, BERKOFF T A, MOREY W W. Multiplexed Fiber Bragg Grating Sreain-sensor System with a Fiber Fabry-Perot Wavelength Filter[J]. Opt. Lett.,1993,18(16):1370-1372.

[5] 李家方,呂可誠,韓群,等.基于光纖光柵F-P腔的一種新穎傳感系統(tǒng)的理論研究[J].光電子技術(shù),2004,24(01):22-24.

[6] 李軍.光纖光柵測溫系統(tǒng)在電力電纜溫度在線監(jiān)測中的應(yīng)用[J].華東電力,2005,33(12):61-63.

[7] 李營,張書練.基于可調(diào)諧F-P濾波器的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)[J].激光技術(shù),2005,29(03):237-240.

[8] 羅俊華,周作春,李華春,等.電力電纜線路運行溫度在線檢測技術(shù)應(yīng)用研究[J].高電壓技術(shù),2007,33(01):169-172.

[9] 高瞻,王孝周.高速傳輸系統(tǒng)的偏振模色散補償技術(shù)[J].通信技術(shù),2012,45(02):73-75,83.

[10] 員麗瓊,景占榮.基于DSP的紅外數(shù)字通信技術(shù)研究[J].信息安全與通信保密,2010(03):82-84.