FBG测温系统的光谱校正算法的研究.pdf

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1、第34卷，第7期光谱学与光谱分析Vo1．34，No．7，pp1793—17962014年7月SpectroscopyandSpectralAnalysisJuly，2014FBG测温系统的光谱校正算法的研究刘智超，杨进华，王高。1．长春理工大学光电工程分院，吉林长春1300222．长春理工大学光电信息学院，吉林长春1300223．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051摘要为了解决在大范围、多点位温度实时监测过程中温度传感器铺设工程复杂、维护成本高等问题，研究开发了基于光纤布拉格光栅结构的温度监测系统。利用光纤光栅衍射对波长的选择性，建立了温度与波长的函数关系，通过计

2、算波长变化量反演被测位置的温度信息。由于环境、材料等因素，光谱分布与温度变化并不满足线性变化，所以设计了光谱校正算法完成波长与温度函数的曲线拟合，曲线拟合度大于99．7％。实验采用FB136L-IAC型防爆干燥箱、LPT-200型二极管，1550nm光纤等对20~280℃范围内温度进行多点位实时检测，实验结果显示，当防爆干燥箱中的温度每改变1℃时，对应的中心波长向长波方向偏移大约0．04FErn，与标准温度测试数据进行对比，误差低于±o．3℃。由于系统采用光纤传感网络，所以具有很强的抗电磁干扰能力，而光纤光栅衍射可实现精密测量，动态响应范围大、精度高。系统的新颖之处在保证高精度测量的同时，仍

3、满足大范围、多点位、高抗干扰能力的快速铺设，具有很强的实际应用价值。关键词温度测量；光谱校正算法；光纤布拉格光栅；光谱分辨率中图分类号：TP274文献标识码：ADOI：10．3964~．issn．1000—0593(2014)07—1793—04电势，从而求解温度。其优点是体积小、响应时间较短、测引言温范围大L1。但其测温非线性误差较大、易老化。随着光纤技术的成熟，光纤布拉格光栅D2q4](fiberbragggrating，在日常生产生活中环境温度的监测很重要，例如对楼FBG)温度检测技术具有精度高、响应快、分布广、稳定性好宇、住房等大范围的防火监控，粮仓实时温度控制等L1]。的优点，采用

4、光纤布拉格光栅完成大范围实时温度检测已经根据检测温度的方式不同分为直接式和间接式，常用的直接成为热点。本工作利用光纤布拉格光栅结构检测温度，搭建式测温计有玻璃管温度计、双金属温度计、压力式温度计、系统并完成了系统的整体测试，温度检测结果虽然满足探测热电偶温度计、热电阻温度计等[3]。要求，但由于光纤探测原理及光刻技术的限制，仍存在一定玻璃管温度计利用热胀冷缩原理测量温度，结构非常简的非线性误差。故设计了针对光纤布拉格光栅测温系统的光单，价格低廉，但测量精度受材料特性限制，且测温范围小，谱校正算法，从而进一步提高温度检测的均匀性及准确度。易碎，并不适合大范围实时监控[7]。压力式温度计利用封闭

5、容器内液体受热后体积变化量与温度的函数关系检测温度。1基本原理其优点是结构简单、抗干扰能力强，但响应慢，易受外界应力影响_8]。双金属温度计利用膨胀系数不同的两种金属受热1．1系统设计后几何位移变化量检测温度信号。其优点是结构简单、价格基于光纤布拉格光栅技术，对实验箱内任意位置进行温低、维护方便、抗震抗冲击，但精度低、量程小[9]。热电阻温度监测，测温系统原理如图1所示。当实验箱内产生温度变度计利用金属导体电阻值与温度之间存在的函数关系检测。化时，对应位置上的光纤产生微小的形变。根据事先在光纤其优点是检测精度高、复现性好，响应时间快[1。但其热惯上设置的布拉格光栅系统，温度微弱的变化会使光栅

6、产生变性大，对抵抗机械振动影响的能力弱。热电偶温度计是通过化，从而出射光发生频移。根据被测温度与光谱频移量之间两种不同材料的导体构成，由于温度不同而在回路中产生热的关系，可以获取精确的温度分布，但光谱频移的过程并不收稿日期：2013—09—10．修订日期：2014—01-15基金项目：国家自然科学基金项目(60637010)，总装国防科技基金项目(914Oc1204O212Oc12O55)资助作者简介：刘智超，1984年生，长春理工大学光电工程分院讲师e-mail：s20070384@163．corn1794光谱学与光谱分析第34卷是理想的线性变化，需要校正。采用校正算法使温度产生的位置的温

7、度更为准确。不均匀的光谱频移线性化，光谱的均匀分布可以使反演对应Fig．1Structureofsensingsystembasedonfiberbragggrating1．2光纤光栅衍射条件光纤、光纤耦合器、光环形器光电探测器组成。由于光纤布光纤布拉格光栅是设置在光纤中的一种光学衍射光栅，拉格光栅对中心波长具有选择的作用，只有符合波长要求的如图2所示。设光栅两侧介质折射率均为，光栅的周期为回波信号可以被反射