光纖光柵傳感器陣列在空間溫度場測量中的應(yīng)用

張佳斌,賀 慶,張青超

(北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100191)

1 引 言

溫度用于表征物體的冷熱程度,而溫度場是物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)點(diǎn)上溫度的集合,它反映了溫度在時(shí)間和空間上的分布[1]。在電力、石油、化工等許多領(lǐng)域都涉及到對(duì)溫度場信息的采集,對(duì)溫度場的研究和精確測量,對(duì)我們的生產(chǎn)和生活有著十分重要的意義[2]。

在工業(yè)生產(chǎn)中使用的燃燒鍋爐、各類發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室以及各類易燃?xì)怏w運(yùn)輸裝置[3],都需要對(duì)溫度場進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測,以提高能源利用率、減少有害物質(zhì)的排放,保護(hù)人們的人身財(cái)產(chǎn)安全。在日常生活中,在影院、劇院、商場等人群聚集地[4],需要保持良好的通風(fēng)狀況和穩(wěn)定的溫度場分布,合理的溫度場分布和良好的氣流組織,可以讓人們在這些場合有更好的舒適感?？梢?確保空間溫度場的合理性,實(shí)現(xiàn)空間溫度場的實(shí)時(shí)監(jiān)測,對(duì)于人們安全生產(chǎn)和健康生活,以及提高能源的利用率,減少大氣污染具有十分重要的意義?，F(xiàn)在用于測量溫度場的方法有熱紅外成像技術(shù),但是其主要用于固體物質(zhì)溫度的測量,不適合于對(duì)空間溫度場進(jìn)行測量[5-6]；國內(nèi)對(duì)氣體介質(zhì)進(jìn)行溫度場測量的研究,主要利用聲學(xué)測量方法,該測量方法具有測溫范圍寬、測量空間大、非接觸等優(yōu)點(diǎn),但由于目前技術(shù)不成熟,很少有實(shí)際應(yīng)用[7]；而利用傳統(tǒng)溫度計(jì)對(duì)空間各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行逐一測量的方法,空間分辨率較低,無法適用于復(fù)雜多變的環(huán)境。

本文提出一種基于光纖布拉格光柵(Fiber Bragg grating,FBG)傳感器陣列的方法,應(yīng)用于空間溫度場的研究。FBG傳感器作為一種新型傳感器,相對(duì)傳統(tǒng)傳感器具有質(zhì)量小、體積小、無源；高靈敏度、高分辨率；易復(fù)用、易組網(wǎng)、易遠(yuǎn)程和分布式傳感；以及抗輻射、電磁干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)[7-9]。本文中,利用多個(gè)FBG傳感器布置成陣列,進(jìn)行多點(diǎn)測溫,實(shí)現(xiàn)了空間溫度場的測量。該方法提高了空間溫度場的測量效率,尤其適合應(yīng)用于高電磁輻射的復(fù)雜工況下,為空間溫度場的研究提供了一種有力的測量工具。

2 原理分析

FBG是光纖纖芯折射率周期性變化而形成的一種全光纖無源器件。由于周期性折射率的擾動(dòng)僅會(huì)對(duì)較窄的一段光譜產(chǎn)生影響,因此,當(dāng)寬帶光波在光柵中傳輸時(shí),入射光將在相應(yīng)的頻率上被反射回來,其余的投射光波則幾乎不受影響,這樣FBG實(shí)際上就起到了光波選擇反射鏡的作用[10]。

由耦合模理論,FBG傳感器反射回的中心波長λB、光柵周期Λ和有效折射率neff滿足關(guān)系:

λB=2neff·Λ

(1)

當(dāng)寬帶光在FBG中傳輸時(shí),就會(huì)產(chǎn)生模式耦合,滿足反射條件(1)的光被反射。當(dāng)光柵處的溫度發(fā)生變化時(shí),將導(dǎo)致各光柵間的距離及纖芯折射率的變化,從而使FBG的中心波長發(fā)生位移,通過監(jiān)測波長的位移情況,即可得到代表溫度的變化情況。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)方案

溫度場測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示,該系統(tǒng)主要由封裝好的FBG,解調(diào)儀和上位機(jī)三大部分組成。上位機(jī)作為控制器,在工作時(shí)間內(nèi),實(shí)時(shí)掃描各個(gè)FBG的波長,根據(jù)上位機(jī)的算法公式,一個(gè)波長對(duì)應(yīng)于一個(gè)溫度值,因此,上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測FBG溫度傳感器陣列中各點(diǎn)的溫度值,并將測量結(jié)果實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場多點(diǎn)溫度的遠(yuǎn)端監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

3.2 傳感器封裝

本系統(tǒng)使用的是普通的單模石英光纖,FBG由紫外激光刻寫。圖2是在金屬基底表面粘貼FBG溫度傳感器的封裝方案,其基底材料選用熱膨脹系數(shù)較大的鋁材料,裸FBG兩端用DP420環(huán)氧膠固定在基底材料上,基底的柵區(qū)處留有凹槽。在點(diǎn)涂環(huán)氧膠的時(shí)候,光纖應(yīng)處于自然伸展彎曲狀態(tài)。這樣封裝,一方面可以增加傳感器的靈敏度,當(dāng)溫度變化時(shí),通過基底材料的熱膨脹可以增大FBG的縱向應(yīng)變,從而增大FBG的感溫靈敏度。另一方面可以保護(hù)傳感器的柵區(qū),避免外力的損害。

圖2 基底封裝方法

3.3 傳感器陣列設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中使用FBG溫度傳感器,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多路測溫,以達(dá)到測量局部空間范圍的溫度場的目的。FBG采用如圖3所示的陣列式排布。

各傳感器之間的間隔為2 cm,測溫過程中,將傳感器陣列固定在鐵架上。這樣的陣列排布方式能防止FBG傳感器之間的相互影響,能使傳感器與空氣充分接觸,同時(shí)能夠提高空間測量的分辨率。

圖3 FBG傳感器陣列

3.4 FBG傳感信號(hào)解調(diào)技術(shù)

本系統(tǒng)采用激光掃描解調(diào)儀對(duì)FBG信號(hào)進(jìn)行解調(diào),系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖4所示。掃描激光器輸出的掃描激光經(jīng)過隔離器和耦合器入射到FBG,被光柵反射后經(jīng)過耦合器送到光電轉(zhuǎn)換模塊,經(jīng)信號(hào)采集后,通過串口將相應(yīng)的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示和處理。上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送命令,實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制,上位機(jī)接收數(shù)據(jù),處理數(shù)據(jù),然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,最終得到FBG反射譜的中心波長及波長對(duì)應(yīng)的溫度值。

圖4 傳感器解調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)

4 系統(tǒng)測試

4.1 FBG溫度標(biāo)定

在溫度場測量之前,本文采用FLUKE公司的型號(hào)為7381的水浴箱對(duì)五個(gè)不同波長的FBG溫度傳感器進(jìn)行溫度標(biāo)定。在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中,分別取五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度值,將五個(gè)傳感器同時(shí)放置于水浴箱中進(jìn)行標(biāo)定,其標(biāo)定結(jié)果如表1所示。圖5將其中的FBG-1,2,3,4,5傳感器測量結(jié)擬合成曲線。

從表1以及圖5中可以看出,它們的確定系數(shù)(R-Square,R)均大于0.999。其中,“確定系數(shù)”是通過數(shù)據(jù)的變化來表征一個(gè)擬合的好壞,它的正常取值范圍為[0,1],越接近1,表明方程的變量對(duì)y的解釋能力越強(qiáng)?？梢?這里的溫度和波長之間有良好的映射關(guān)系,FBG的波長隨著溫度的變化而發(fā)生穩(wěn)定的漂移。可見,五個(gè)FBG傳感器性能穩(wěn)定,具有良好的一致性。

表1 FBG傳感器隨溫度變化標(biāo)定結(jié)果(單位:nm)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

4.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)在干燥的室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行,濕度為35 %,室內(nèi)溫度為26 ℃。本文采用精良和科技制造,型號(hào)為P320F的環(huán)保恒溫加熱臺(tái)作為面熱源,加熱臺(tái)金屬面板長50 cm,寬40 cm。實(shí)驗(yàn)布置如圖6所示。

在實(shí)驗(yàn)過程中,分別將加熱板調(diào)節(jié)到250 ℃、200 ℃、150 ℃和100 ℃,在這四個(gè)溫度值下,分別用上述FBG傳感測試系統(tǒng)進(jìn)行溫度場測量,并且反復(fù)實(shí)驗(yàn),得到一組數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程中需要避免外力導(dǎo)致的空氣流動(dòng)以及保持室溫的恒定。對(duì)于FBG陣列中每一個(gè)傳感器要有良好的一致性,而且傳感器與傳感器之間的間隔在實(shí)驗(yàn)過程中要保持一致。

圖6 實(shí)驗(yàn)布置圖

4.3 數(shù)據(jù)擬合與分析

在相同的熱源溫度下,在各個(gè)位置進(jìn)行多次測量,從距離熱源2 cm的位置作為起始點(diǎn),每間隔2 cm作為一個(gè)測量點(diǎn),共測10個(gè)點(diǎn)。將各位置點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)取8次進(jìn)行平均,作為該位置的測量結(jié)果。分別對(duì)面熱源溫度為100 ℃、150 ℃、200 ℃和250 ℃四種情況下測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并分別與相同位置處使用電子溫度傳感器DS18B20測得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得到如圖7所示的溫度場曲線圖。

圖7 不同溫度值下的溫度場曲線

根據(jù)圖7分析,在距離熱源2cm范圍以內(nèi),其溫度值幾乎是階躍式跳變——溫度值急劇下降,從2 cm位置以后,其下降趨勢變得平緩,最后趨于室溫值。但不同溫度值之間又略有差別,當(dāng)熱源的溫度值越高,其溫度值趨向室溫需要的距離越遠(yuǎn),反之則相反。

對(duì)四組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,要求其擬合結(jié)果的確定系數(shù)均大于0.995,標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.8。經(jīng)計(jì)算,可以得出其擬合曲線都符合一元三次方程,其一元三次方程式為:

y=p1x3+p2x2+p3x+p4

(2)

其中,在不同熱源溫度值下的擬合方程式的系數(shù)如表2所示。

表2 不同熱源溫度值下擬合方程式的系數(shù)對(duì)照表

5 結(jié) 語

該系統(tǒng)提出一種利用FBG溫度傳感器構(gòu)成陣列進(jìn)行空間溫度場測量的方法。該傳感器具有體積小巧,精度高,抗電磁干擾,易于遠(yuǎn)程及分布式測量的優(yōu)勢。適合于復(fù)雜電磁環(huán)境下精確定位的空間溫度場分析。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,采用多個(gè)FBG溫度傳感器組成的單排陣列,可測得與之垂直的方向上的溫度梯度變化,結(jié)合多個(gè)測量點(diǎn)與熱源的位置關(guān)系,得到了面熱源附近的溫度場分布情況。通過該測量系統(tǒng),建立了面熱源溫度、空間位置與空間點(diǎn)溫度之間的映射關(guān)系,構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型。為空間溫度場測量提供了一種有效的解決方案。