改進(jìn)型測溫檢測校正方法研究

劉智超　楊有松　劉赟　張婉儀

【摘 要】在光纖布拉格光柵測溫網(wǎng)絡(luò)中，需要對溫度測試系統(tǒng)進(jìn)行校正，因?yàn)樵跍y試過程中，光纖中的回波波長會(huì)被展寬，同時(shí)受到影響而發(fā)生偏移，所以需要有必要的校正才能獲得準(zhǔn)確的溫度測試數(shù)據(jù)。通過理論分析和計(jì)算，對波長的偏移校正方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，測試溫度與回波中心波長的函數(shù)關(guān)系為每40pm對應(yīng)大約1.0℃的變化，系統(tǒng)測試結(jié)果穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】測溫系統(tǒng)；溫度校正；波長偏移計(jì)算

0 引言

生產(chǎn)生活中溫度檢測已經(jīng)被普遍的使用，而且根據(jù)不同的探測原理制成的產(chǎn)品也屢見不鮮，然而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷迅猛發(fā)展，對溫度檢測的要求也與日俱增[1]。在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)控制、精密部件合成、高效炸藥熔鑄等過程中，對于實(shí)時(shí)高精度溫度檢測和控制、連續(xù)多點(diǎn)位具有著重要的意義，因此掀起了高穩(wěn)定性、多點(diǎn)式、高精度測溫系統(tǒng)的研究熱潮。

當(dāng)前，常見的測溫技術(shù)主要有：熱電偶測溫計(jì)、壓力型測溫儀、光纖布拉格光柵溫度檢測系統(tǒng)、數(shù)字測溫儀、光纖測溫系統(tǒng)和熱電阻測溫器[2]。熱電偶測溫計(jì)的優(yōu)點(diǎn)有響應(yīng)速度快、測量溫度范圍大、制造成本低，但是有易受到電磁干擾的影響、精度低且易老化的缺點(diǎn)；壓力型測溫儀抗電磁干擾的能力強(qiáng)、體積小，但是其明顯受到外力的影響、而且響應(yīng)速度慢；光纖布拉格光柵溫度檢測系統(tǒng)有成本低、制作簡單、抗電磁干擾的能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而有穩(wěn)定性較差、精度中等的缺點(diǎn)；數(shù)字測溫儀具有體積小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，但其的制造成本高、以及易受到電磁干擾影響，并且不適合用于液體環(huán)境的溫度測試；光纖測溫系統(tǒng)抗電磁干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、精度高，但其制作工藝復(fù)雜而且成本高；響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、精度高；是熱電阻測溫器的優(yōu)點(diǎn)，但是其有抗振能力差、熱慣性大的缺點(diǎn)。

總而言之，從適用范圍和測量精度來觀察，基本滿足以上要求的測溫系統(tǒng)是光纖布拉格測溫系統(tǒng)，但是它仍還需要進(jìn)行改善和優(yōu)化，讓它的溫度響應(yīng)穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)可以得到改善，進(jìn)而使其的溫度變化量和波長偏移量之間的函數(shù)關(guān)系更加的穩(wěn)定，而且系統(tǒng)的測量精度也可以大大提高[3]。對現(xiàn)有的光纖布拉格光柵溫度檢測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)是本文的主要研究內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)降低非線性誤差、提高測溫精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對傳統(tǒng)的光纖布拉格光柵測溫網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過寬帶光源輸出的激光信號(hào)，再將激光回波信號(hào)從耦合器進(jìn)入解調(diào)儀，然后解調(diào)儀采集的信號(hào)進(jìn)入電腦，電腦完成一系列的數(shù)據(jù)處理，這樣就完成了待測區(qū)域的溫度檢測。因?yàn)楣饫w探頭分布的環(huán)境條件各不相同，而且位置也各不同，所以各個(gè)探頭的溫度差異、受力情況都不同，因此測試過程中的系統(tǒng)穩(wěn)定性較低，最突出的是在外力作用不平衡時(shí)，在各點(diǎn)位置的所得的實(shí)質(zhì)參數(shù)不均勻，從而使測試溫度出現(xiàn)了誤差。為了解決上面的問題，進(jìn)而提出了差分校正處理的方法，是將兩組的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)同步使用，然后再進(jìn)行差分處理，因此這樣可以約掉相同干擾項(xiàng)產(chǎn)生的溫度誤差。

把原本獨(dú)立的光纖布拉格光柵測溫模塊的根本上添加了一系列的校正用的測溫模塊，從而形成了差分校正的光纖布拉格光柵測溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。具體的操作過程如下：是將光纖分路器和寬帶光源相連接，可以將光信號(hào)分為同等能量的兩部分，并且分別進(jìn)入光纖A和光纖B。光纖A和光纖B分別和它對應(yīng)的光纖耦合器連接，從而組成兩組探測光纖和回波光纖。兩組探測光纖分別和解調(diào)儀的兩個(gè)輸入端相連，最后完成被測區(qū)域同點(diǎn)位的溫度測試，通過將兩根光纖并列引入被測區(qū)域。因?yàn)樵诠饫wA中的光纖探頭的光柵間隔為DA，其回波中心波長是A，然而在光纖B中的光纖探頭的光柵間隔為DB，其回波中心波長是B。因?yàn)閮山M測試數(shù)據(jù)的光柵間隔不同，所以它的波長偏移量也不大相徑庭，但是由于兩個(gè)測試的位置一樣，所以它收到環(huán)境的干擾條件（包括溫度瞬變、外力作用等）相同。換而言之不同的回波波長偏移量是由相同環(huán)境和同一組光源組成的，所以，在這種情況作為的前提條件下，可以對兩組的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行差分校正補(bǔ)償，進(jìn)而由該點(diǎn)位環(huán)境干擾造成的溫度誤差被極大的降低了，而且提升了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2 理論分析及測試結(jié)果

在差分校正的光纖布拉格光柵測溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，需要將光纖A和 光纖B對應(yīng)的測溫偏移函數(shù)解出，再完成數(shù)據(jù)差分運(yùn)算，才能實(shí)現(xiàn)對已有溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。根據(jù)波導(dǎo)理論可知，回波中心波長是=2n（d），可得兩組光纖的回波中心波長偏移為A=KTAT和B=KTBT。其中，KT1、KT2分別表示光纖A和的光纖B的光纖光柵溫度響應(yīng)系數(shù)，T表示溫度變化值。

經(jīng)解調(diào)儀輸出的回波光得到其光譜分布函數(shù)，包括光纖A的回波中心波長及其偏移效果和光纖B的回波中心波長及其偏移效果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出兩組回波數(shù)據(jù)的光譜分布形態(tài)基本相同。但光纖A和光纖B檢測得到的中心波長不一致，分別是1529.352nm和1530.237nm。雖然同為一個(gè)點(diǎn)位，但是由于光柵間隔的不同，所以具有不同的測試效果，但由于環(huán)境的影響一致，因此其光譜測試偏移量的程度是一致的。所以，該點(diǎn)位上的測度測試偏移誤差量可以根據(jù)差分校正算法獲取，來作為修正測溫網(wǎng)絡(luò)的參考數(shù)據(jù)。

通過對測試數(shù)據(jù)的分析，在溫度與回波中心波長產(chǎn)生的偏移量之間大概產(chǎn)生40pm的偏移，溫度變化了1.0℃。傳統(tǒng)型測溫系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)值靠近，平均誤差為1.87%，然而采用了差分校正數(shù)據(jù)處理的溫度測試的平均誤差為0.47%。證明了采用差分校正方法后，對溫度檢測的準(zhǔn)確性提高起到了作用。而且，當(dāng)某些局部存在不均衡外力作用時(shí)，測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性被差分校正型光纖布拉格光柵測溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)較好地保持，同時(shí)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和它的優(yōu)勢。

3 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)采用差分校正的光纖布拉格光柵測溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，來克服傳統(tǒng)光纖布拉格光柵測溫網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力弱的缺點(diǎn)。局部環(huán)境造成的誤差被系統(tǒng)通過傳統(tǒng)光纖光柵和校正光纖光柵探頭的差分處理從而消除掉了。實(shí)驗(yàn)采用溫度控制箱來改變，是將環(huán)境溫度每1.0℃的改變，從20.0℃80.0℃的范圍內(nèi)變化。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，大約每1.0℃的溫度變化，溫度和回波中心波長產(chǎn)生的偏移量之間將會(huì)產(chǎn)生40pm的偏移。差分校正型測溫系統(tǒng)的溫度檢測誤差明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法，因?yàn)樵摲椒ň哂懈叩南到y(tǒng)穩(wěn)定性，而且受局部環(huán)境的影響更小。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉智超，楊進(jìn)華，王高.FBG測溫系統(tǒng)的光譜校正算法的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2014，34（7）：1793-1795.

[2] 王文成.分布式糧倉溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（11）：50-52.

[3]Alvaro Hernandez，Jesus Urena，Manuel Mazo，Juan J.Garcia.Reduction of blind zone in ultrasonic transmitter/receiver transducers[J].Sensor and Actuators A，2007，133（2）：96103.

[責(zé)任編輯：侯天宇]