光纖光柵傳感在機(jī)房溫度監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究

秦鑫

摘要：光線光柵在傳感領(lǐng)域已經(jīng)逐步成為一個(gè)主流器件用來(lái)對(duì)溫度，應(yīng)力，壓力，電流等參數(shù)的測(cè)量。本文對(duì)光纖光柵在溫度測(cè)量方面的應(yīng)用展開(kāi)了研究討論。通過(guò)測(cè)量光纖Bragg光柵的反射中心波長(zhǎng)隨溫度的偏移量，驗(yàn)證在一定范圍內(nèi)，反射波長(zhǎng)與溫度成正相關(guān)的理論，并根據(jù)這個(gè)關(guān)系制作一套光纖光柵溫度傳感器系統(tǒng)，討論對(duì)學(xué)?？倷C(jī)房溫度檢測(cè)的運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：光纖光柵;傳感器;溫度;反射波長(zhǎng)

一、前言

光纖光柵是利用光纖的光敏特性制成的。所謂光敏特性是指激光通過(guò)摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化的特性，而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡，利用這一特性可制造出許多性能獨(dú)特的光纖器件來(lái)，它們都具有反射帶寬范圍大，附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其他光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。

近年來(lái)，光線光柵在傳感領(lǐng)域方面已經(jīng)逐步成為主流器件用來(lái)對(duì)溫度，應(yīng)力，壓力，電流等參數(shù)的測(cè)量。尤其是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模不斷加大，新建的高樓、道路、橋梁、大壩幾乎到處都是。對(duì)于這些建筑物健康狀況的傳感、測(cè)控成為一項(xiàng)重要課題。加拿大通信中心的Hill等人在1978年首次在摻鍺光纖中采用駐波寫入法制成光纖Bragg光柵。使得光纖光柵傳感器和傳感技術(shù)已經(jīng)成為科學(xué)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

二、光纖bragg光柵傳感器

光纖Bragg光柵折射率變化的周期一般為0.1um量級(jí)。它可將入射光中某一確定波長(zhǎng)的光反射，反射帶寬窄。在傳感器領(lǐng)域，均勻光纖Bragg光柵可用于制作溫度傳感器、應(yīng)變傳感器等傳感器;在光通信領(lǐng)域，均勻光纖Bragg光柵可用于制作帶通濾波器、分插復(fù)用器和波分復(fù)用器的解復(fù)用器等器件。

光纖光柵溫度傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有許多自身的優(yōu)點(diǎn)。主要特點(diǎn)表現(xiàn)為：靈敏度高，體積小，耐腐蝕，抗電磁輻射，光路可彎曲，便于遙測(cè)，根據(jù)光纖光柵技術(shù)的溫度傳感器，我們采用波長(zhǎng)編碼技術(shù)，從而消除了光源功率波動(dòng)及系統(tǒng)損耗的影響，因此適用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，而且由多個(gè)光纖光柵組成的溫度傳感系統(tǒng)。只要采用一根光纜，就可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量。光纖光柵溫度傳感器是一種新型的光子無(wú)源器件，該類型的溫度傳感器的主要部件就是布拉格光。通過(guò)芯層摻鍺等元素，使得芯層的折射率比包層的折射率大，這樣就形成了導(dǎo)波，使得光信號(hào)可以在芯層中傳播，當(dāng)芯層折射率受到周期性地調(diào)制以后，布拉格光柵就形成了。布拉格光柵對(duì)入射光有選擇性地反射作用，當(dāng)入射光的波長(zhǎng)滿足布拉格發(fā)射條件的時(shí)候，經(jīng)過(guò)調(diào)制，入射光就不會(huì)透過(guò)光柵，而是被光柵完全反射回去了。

對(duì)于光纖光柵溫度傳感器而言，外界對(duì)布拉格波長(zhǎng)的影響是有熱膨脹效應(yīng)與熱光效應(yīng)引起的。布拉格發(fā)射的中心波長(zhǎng)是隨著纖芯的有效折射率和光柵的周期而變化的。當(dāng)外部條件發(fā)生變化的時(shí)候，由于的光纖的熱光效應(yīng)，光纖的折射率將隨之變化，又由于熱膨脹效應(yīng)，光柵的周期也將隨之改變。

光纖的熱膨脹系數(shù)與熱光系數(shù)是之和我們叫稱之為光纖的溫度系數(shù)，也叫作溫度靈敏度。在溫度范圍較小的情況下，對(duì)特定的光纖光柵而言，溫度系數(shù)是一個(gè)定值。常溫下光纖光柵的溫度系數(shù)大約是7.5×10-6/℃。所以我們對(duì)每一個(gè)特定的傳感器就可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)定邊的方式來(lái)求得溫度系數(shù)。

三、光纖光柵溫度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（一）光纖光柵溫度系統(tǒng)工作原理

光纖bragg光柵的溫度傳感器系統(tǒng)的基本原理是監(jiān)測(cè)被Bragg光柵反射回來(lái)的波長(zhǎng)信號(hào)的波長(zhǎng)漂移量，把這個(gè)波長(zhǎng)漂移量與溫度對(duì)應(yīng)起來(lái)，作為被測(cè)函數(shù)。光柵的入射光是一個(gè)寬帶光源，通過(guò)光柵的時(shí)候，滿足布拉格條件的波長(zhǎng)信號(hào)被光柵反射回去，經(jīng)過(guò)光譜儀觀察得到的是一個(gè)窄帶光譜。還有一部分的光經(jīng)過(guò)光柵，沒(méi)有被反射回去而是透射過(guò)去，經(jīng)光譜儀觀察得到的是一個(gè)有部分缺失的寬帶光譜。在一定范圍內(nèi)，被光纖Bragg光柵反射會(huì)來(lái)的波長(zhǎng)的漂移量是和外界的溫度變化成正比的，這個(gè)正比系數(shù)即是光纖Bragg光柵的溫度系數(shù)，也稱為溫度靈敏度。

（二）光纖光柵溫度系統(tǒng)函數(shù)測(cè)定

對(duì)于一根未知的光纖Bragg光柵，它的溫度系數(shù)是不知道的，需要我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，具體的操作如下：

因?yàn)锽ragg反射波長(zhǎng)變化與溫度變化量所成的線性關(guān)系，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中只要通過(guò)測(cè)量Bragg波長(zhǎng)的漂移量與溫度的變化量，就可以計(jì)算出它們之間的正比系數(shù)。我們先把光纖Bragg光柵放入冰水混合物之中，測(cè)得此時(shí)的反射波長(zhǎng)，即攝氏零度時(shí)所對(duì)應(yīng)的反射波波長(zhǎng)值;接著將Bragg光柵放入沸騰的水浴之中，測(cè)得此時(shí)的反射波長(zhǎng)，即攝氏100度時(shí)所對(duì)應(yīng)的反射波波長(zhǎng)值。隨后的操作是至100攝氏度起，溫度每下降5攝氏度，記錄一次光譜分析儀所顯示的反射波長(zhǎng)值。這樣做完以后剛好是溫度從零攝氏度開(kāi)始，溫度每上升5攝氏度，測(cè)得一個(gè)相對(duì)應(yīng)的反射波長(zhǎng)值，一直到100攝氏度為止。為了測(cè)量能夠更加準(zhǔn)確，進(jìn)行多次測(cè)量求平均值。最后得出波長(zhǎng)與溫度的線性關(guān)系式。

通過(guò)擬合直線我們得到這條光纖bragg光柵波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系曲線：

λB=1.18×10-2·T+1548.01

（其中λB為光譜儀測(cè)得波長(zhǎng)，T為溫度）

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)得出的線性關(guān)系函數(shù)，我們就可以通過(guò)光譜儀測(cè)得波長(zhǎng)的數(shù)值來(lái)測(cè)溫了。

四、光纖Bragg光柵在學(xué)校機(jī)房溫度監(jiān)控中的運(yùn)用暢想

前面提到，光纖光柵溫度傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有許多自身的優(yōu)點(diǎn)。主要特點(diǎn)表現(xiàn)為：靈敏度高，體積小，耐腐蝕，抗電磁輻射，光路可彎曲，便于遙測(cè)，根據(jù)光纖光柵技術(shù)的溫度傳感器，我們采用波長(zhǎng)編碼技術(shù)，從而消除了光源功率波動(dòng)及系統(tǒng)損耗的影響，因此適用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。而且由多個(gè)光纖光柵組成的溫度傳感系統(tǒng)，只要采用一根光纜，就可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量?；诠饫w光柵自身的這么多優(yōu)點(diǎn)，它被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)磁共振，流體溫度及壓力測(cè)量，電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，建筑物于橋梁內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)，航天航空業(yè)等等，可見(jiàn)其有著良好的市場(chǎng)前景。光纖光柵溫度傳感器正在成為全光網(wǎng)絡(luò)及其余多個(gè)領(lǐng)域中的主流器件。

基于我?？倷C(jī)房實(shí)際，設(shè)備間電子器件繁多，設(shè)備線路眾多。特別是有些設(shè)備需要24校不間斷供電運(yùn)行，因此產(chǎn)熱量較大，如遇到線路老化或者設(shè)備短路等情況，會(huì)有引起設(shè)備燒壞，甚至機(jī)房火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。因此基于光纖的種種優(yōu)秀特性，可以嘗試運(yùn)用光纖溫度計(jì)對(duì)每個(gè)設(shè)備實(shí)行分布式實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給管理人員。這樣既保證了學(xué)校設(shè)備安全，也在 一定程度降低了機(jī)房由于過(guò)熱引起火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

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