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基于光纤光栅传感的测温系统设计.doc


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赵雨露作者简介:赵雨露(1991-),女,本科生,主要从事光纤通信研究。Email:******@
赵巾崔方惠崔颖王苏苏
(物理系,北京100048,中国)
摘要:设计出一种基于光纤光栅传感和labVIEW软件编程相结合的新型测温系统,常用于强电磁干扰或其他恶劣环境下监测温度,超过一定范围后系统会发出声光报警。该系统具有精度高,线性好等特点,/℃,误差范围为±℃,测量范围为0℃—100℃。
关键词:光纤光栅传感器,温度监测,LabVIEW编程,软硬件结合
0 引言
1960年美国科学家梅曼发明了第一台红宝石激光器,研究现代化光通信的时代也从此开始。此后光通信迅猛发展,改变了人们的生活。
近年来光纤光栅传感监测技术日益兴起,已成为目前传感技术中最杰出的代表之一。光纤光栅传感器是一种新型全光纤无源器件,与普通传感器相比,具有不可比拟的优势和特点。它环境适应性好,可长期用于高温、高湿及存在化学侵蚀等的恶劣环境。且光纤传输信号时载频高,通信容量大,传输速率更快。因此其产业已被国内外公认是最具有发展前途的高新技术产业之一,它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。根据以上特点,光纤传感技术必会在不久的将来取代传统的传感技术。此外由于LabVIEW强大的数据处理能力使工程温度误差更小,友好的人机界面使数据表达更清楚易懂,更加易于监测温度。因而本系统将光纤传感器的独特优势与LabVIEW软件编程的灵活强大有机结合起来,设计出一种新型温度测控系统,具有良好的发展前景。

图1光纤光栅实物图
FBG(光纤布拉格光栅)利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内,从而在光纤上形成周期性的光栅。
光栅会对入射的宽带光进行选择性反射,反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光信号,其中心波长称为布拉格波长。
图2光栅结构示意图
光栅Bragg条件:λB=2nΛ
当光源发出的连续波长的光波传输通过FBG时,满足Bragg条件的光波将被反射回来。
式中:λB---Bragg波长;
n---光栅的有效折射率,即折射率调制幅度大小的平均效应;
Λ---光栅周期,即折射率调制的空间周期。
根据布拉格条件,光栅反射光的总强度分布和波长有如下关系:
定量分析:
(1)
其中:。
光栅常数d=a+b,a为不透光部分的宽度,b为狭缝的宽度,为相邻两个缝在P点的位相差,N为光栅狭缝数目,为光线到p点与水平面形成的夹角。
当N=0时,光强最大,此时对应的波长为光栅的中心波长。软件编程中通过该关系进行数据拟合。
定性关系为:
图3光栅外一点P处光强与波长的关系
多缝干涉决定谱线的位置,单缝衍射决定光强。在N=0处对应最大光强点的波长我们称为中心波长。
如果对某一带宽有限的时间连续信号(模拟信号)进行抽样,且抽样速率达到一定数值,那么根据这些抽样值就能准确地确定原信号。因而我们选择连续可调激光器发出不同频率的脉冲,相当于对信号进行抽样,可得到该光栅光谱。但由于光信号强度难以测量,准确度不高,因此我们首先通过光电转换器将反射回来的各光信号强度转换为易测量的电信号电压值,其最大电压值对应着中心波长,通过数据处理得到电压和波长的关系,最终得到一定温度下对应的中心波长值。取样点越多,越能精确的还原信号。
此外,由于FBG的反射波长或透射波长取决于反向耦合模的有效折射率n和光栅周期Λ,任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅Bragg波长的漂移,可由此关系式表示:
(2)
其中是波长的偏移量,为初始的中心波长,是外界应力,是外界温度。
图4外界因素对光谱造成的影响
通过测量此漂移量就可直接感知外界物理量的变化。Bragg光纤光栅传感器的研究主要集中在温度和应力的准分布式测量上。温度和应力的变化所引起的中心波长漂移可表示为:
(3)。
式中,ε为应力,P[i,j]为光压系数,为热胀系数,为温度变化量。一般情况下,式中的
,可以推导出常温和常应力条件下的FBG温度和应力相应条件值为:
光纤光栅传感器本质防爆、无电传感、化学性能稳定、传输距离远、可用于对外界参量的绝对测量,这种特性在传感器领域中引起了革命。传统的测温方式由于包含的环节多,因此出故障的环节也比较多;而光纤光栅测温系统的性能稳定,整体结构简单,只有光纤光栅温度传感器和上位机两大主要部分组成,因此无中间环节,而测量现场为全光测量,完全不受强电场和强磁场的干扰,保障了稳定性和准确度。相比于国内电子类传感器具有不可比拟的优势。

图5测温系统设计图
硬件系统各器件工作原理
iTLA(IntegrableTunableLaserAssembly)激光器原理
图6激光器原理图
可调激光器是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器。其中光源性能的好坏直接决定着整个系统性能的好坏。
在光纤光栅传感中要求光源必须有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性,以满足传感系统中多点多参量测量的需要。
我们选择的是iTLA(IntegralTunableLaserAssembly)连接驱动板做光源,利用TF与SOA制作扫描光源,通过扫描光源扫描整个光谱,使FBG反射被测光信号。
激光器可输出光波长范围为1528nm—1563nm,。线宽小可使激光的输出峰的尖锐度高,光源的相干性好,有易于提高光纤传感器的灵敏度。,光功率稳定度高。共有89个通道,实现扫描作用,依次发射到布拉格光纤光栅传感器经反射后可得到满足brag条件的多个不同光强参量,根据这些参量数据从而进行波长和光强的高精度拟合。

光环形器是一种光无源器件,分为三端口和四端口两种。本实验采用的是三端口光环形器。光从一端进入并从另一端出来,经过光栅反射后再从第三个端口返回。并且起到了光隔离防止光污染的作用,此外,透射过光栅的光继续传输,可与不同中心波长的光栅结合组成光的波分复用器,在光通信中有重要的作用。

光电转换器俗称“光猫”,它可将探测到的光信号转换成电信号输出。首先对探测到的光强信号进行两级放大,将光电流转换为电压信号,最后对其进行稳压并输出数据。此电压值可通过PXI数据采集卡传输到上位机中,在LabVIEW中进行数据处理,实现信号的解调。

光纤光栅传感器的信号解调技术是该类传感器走向实用化的关键技术之一,目前国内主流技术主要包括滤波法、干涉法、可调谐光源解调法、啁啾光栅检测法、光栅色散法以及基于Compound干涉的解调法。其中干涉法和滤波法以及基于Compound干涉的解调法等所需设备结构复杂,价格昂贵,因而采用可调谐光源解调法,这种方法的基本原理是利用可调谐激光器,使激光波长在一定范围内扫描,当其与传感光栅的布拉格反射波长相匹配时,激光就会被相应光栅强烈反射,再经过信号检测和信号处理就能得到待测量的大小。由于激光光信号强度很高,因此系统的信噪比可以大大提高。目前信号采集与处理部分国内多基于单片机原理而构建成解调系统,单片机软件编程复杂繁琐,且函数调用和数据处理功能不够强大,因而误差较大,导致光纤光栅传感器性能难以进一步完善[2,3]。
因此我们采用了LabVIEW软件编程。其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码,而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序,产生的程序是框图的形式。并且LabVIEW软件提供的软件环境由于其数据流编程特性、LabVIEWReal-Time工具对嵌入式平台开发的多核支持,以及自上而下的为多核而设计的软件层次,因而被用户作为进行并行编程的首选。且其强大的数据处理能力极大的降低了测量误差,提高了光栅光栅传感器的性能。
至今,大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序,使用LabVIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备。同时,用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的LabVIEW工具包。这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能。有时甚至于只需简单地调用几个工具包中的函数,就可以组成一个完整的测试测量应用程序。
在本系统中,LabVIEW首先通过VISA串口协议与激光器建立连接,控制激光器输出信号光,进入硬件系统,最终又通过
PXI数据采集卡与光电转换器进行连接,经过DAQ数据通道把光电转换器的电压值输出到PC机内,采用TDMS(技术数据管理流)格式进行数据存储,使程序容易进行读取,效率高。
通过高斯拟合模块等编写程序语言对波长和电压的关系进行了复现,实现了信号的解调。接着通过扫描波长这一功能检测到对应温度下的光栅中心波长值。然后,通过改变外界温度值,测出一组不同温度下对应的光纤光栅中心波长值,利用LabVIEW进行数据的拟合得到温度与波长的对应关系,并根据这一关系进行该光纤光栅测温系统的标定,最终得到前面板如图7所示。
图7光纤光栅测温系统人机界面
该软件可通过TCP/IP协议,将数据通过网络传输,实现远程监测。
该人机界面可以使用户直接进行可控操作,可直接查询历史数据。并且当温度超过一定范围时系统可进行声光报警。将控件美化,合理分配空间,进行人性化的布局,可让数据进行最有效最直观的表达。


上位机控制激光器正常工作,使其发出多个单模扫描激光脉冲。光信号经过光纤传输进入光环形器中,从另一端输出后打在光纤光栅上,这时光路分为透射部分和反射部分。满足布拉格反射条件的光信号将被反射回来从光环形器第三个端口输出,进入光电转换器中,此时光强信号被转换成了易于测量的电信号[4,5]。

经量化的电信号通过PXI数采卡将各电压值传输到计算机中,LabVIEW通过DAQ数据采集并保存为TDMS(技术数据管理流)格式,对采集到的电压信号进行高斯拟合,并通过波长检测得到中心波长,温度改变则输出中心波长随之改变。

本实验分以下几个步骤[6,7]:
通过光纤熔接机将光纤光栅与线路中的光纤熔接在一起,。
如图5将各部件连接起来后,根据LabVIEW中的VISA串口可与激光器建立通信,使激光器正常工作。并通过波长设置,从起始为1528nm开始增加,每改变0..4nm变50GHz)直至增加到1563nm,从而连续输出不同波长的激光脉冲,并打到光栅上。
根据已保存的电压值通过LabVIEW编程获得光纤光栅的透射光谱图,并进一步得到一定温度下波长与电压的关系式。
将光栅放入保温杯中,用保温性能较好的泡沫板裁剪成杯盖形状。温度计插在泡沫杯盖上放入保温杯中,通过改变温度得到不同中心波长值。℃改变一次温度,并记录在Excel中。对数据进行处理和公式的拟合,得出温度与波长的关系式。
根据温度和波长的关系式再进行LabVIEW编程,在界面中得到监测温度,对人机界面进行一定的美化。通过反复实验与实际温度比较,确定该系统的性能参数。
光纤光栅传感测温系统性能参数及误差分析

在无其他因素影响的情况下,℃,根据程序可得到对应波长值,并记录数据。绘制如图8所示的光纤光栅温度与对应中心波长的关系。
图8光纤光栅传感器标定图
通过反复实验将误差减小到最小,得到波长与温度的最终标定关系式,可知二者成线性关系,根据此关系进行编程,最终得到本光纤传感监测系统特性参数如下:
工作范围:0℃—100℃
灵敏度:/℃
误差范围:±℃
性能参数误差来源分析及对参数缺陷的进一步改进
由于我们使用的是裸纤,在进行标定时外界压力或光纤弯曲等会对光纤光栅波长的漂移均有影响,且工作过程中激光器内部温度升高也可导致输出波长发生变化,再加上数据在处理过程中必然会有误差,均造成了光纤光栅传感器误差的来源。
而且,,输出波长从1528~1563nm,,所以必须选择与光源相匹配的光纤光栅,.,,也必然由于线宽存在的原因导致信号解调过程中出现误差,灵敏度也随之降低。
此外,由于实验中测量温度使用的是量程为0~100的温度计,℃,这就限定了光纤光栅传感器的工作范围。在LabVIEW软件程序中,也不可避免的存在误差。
针对以上问题,我们将进一步优化系统。可将光纤光栅传感器进行封装,避免外界条件的干扰(例如压力的干扰)。此外,在实验中我们着重考虑到光纤光栅与激光器输出参数的匹配问题,选择合适中心波长的光栅,使中心波长尽量在与输出激光的其中一个波长重合,减小因线宽较大造成的误差。另外可选取线宽更窄的可调谐激光光源及量程更大,精确度更高的测温设备,以增大测量范围,提高灵敏度。

本文在利用LabVIEW软件编程和光纤光栅温度传感器理论的基础上,设计出该光纤光栅测温系统。由于该系统为全光系统,可克服强电磁干扰。且由于温度和波长的变化成线性关系,从而该光纤光栅测温系统性能稳定。通过LabVIEW软件编程增加了光纤光栅传感器的测温精确度,得到相应光纤传感测温系统特性参数。相比于基于其他编程语言环境下的PC软件性能更好。该系统解调部分是基于LabVIEW程序开发环境,其强大的数据处理能力使工程温度误差更小,友好的人机界面使数据表达更清楚易懂,便于监测及系统优化。它采用图形化语言,编程过程相比于C语言更简单易懂,且作为一种计算机化仪器,它可通过PXI标准仪器直接与外部硬件相连,构建成的温度监测系统,其性能超越了传统PC测试系统。
我们对系统的进一步改进提出以下设想。首先,通过在光路上串联不同中心波长的光纤光栅,可将系统做成大容量,多点分布式测温系统,可同时监测多处温度。通过TCP/IP协议,将各子机数据通过网络层传输到一台计算机上,实现远程监测。或是将光纤光栅传感器根据分布式光纤光栅的原理,采用一根光纤上分布着具有不同中心波长的光纤光栅,对监测现场实行多点测量。这种分布式测温系统可广泛应用于变电站封闭电力设备测温、多处感温火灾探测、石化方面多处油井或油管温度监测等。
致谢
感谢首都师范大学物理系何敬锁老师和苏波老师的指导,本文受国家大学生项目科研计划“光纤光栅温度测控系统”项目资助。
参考文献
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[7]罗志会,陈池. 大量程分布式光纤传感器的研究与应用[J].电子激光,2010,21(6):0851
DesignOnTemperature Measurement System BasedOnFiberGratingSensing
ZHAOyu-luZHAOjinCUIfang-huiCUI-yingWANGsu-su
Departmentofphysics,Beijing,100048,China
Abstract:wedesignoutonekindofnewtemperaturemeasurementsystemwhichcombinesthefibergratingsensingthearywiththelabVIEWsoftwareprogramming,itusuallyapplysformonitoringthetemperatureunderthestrongelectromagneticinterferenceorotheradversecircumstances,aftersurpassingcertainscope,thesystemwillsendouttheacousto-.,/℃,errorscopeis±℃,measuringscoperangesfrom0℃to100℃.
Keywords:fibergratingsensorstemperaturemonitorLabVIEWprogrammingcombinationofsoftwareandhardware

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