光纖光柵環(huán)境溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)研究

鄭 潛

（武漢光谷光聯(lián)網(wǎng)科技有限公司,湖北 武漢 430000）

環(huán)境監(jiān)測和保護是全人類共同的職責，但環(huán)境各項參數(shù)并不是通過肉眼就能觀察到的，必須依賴于各類先進的環(huán)境監(jiān)測傳感器[1-2]。這些傳感器的原理和應用場合各不相同，其中，光纖光柵傳感器具有耐腐蝕、耐高溫、抗干擾、結構緊湊、精度高、適合遠距離傳輸?shù)葍?yōu)勢，從而在環(huán)境監(jiān)測領域逐漸得到廣泛的應用。

1 光纖光柵環(huán)境監(jiān)測傳感器應用現(xiàn)狀

光纖光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）傳感技術是以光纖為傳導媒介，把待測的各種物理量轉變?yōu)楣獾奶匦宰兓?，從而間接測得所需的物理量[3-4]。與傳統(tǒng)的傳感器類型相比，光纖光柵傳感器可以滿足實時監(jiān)測、在線監(jiān)測和分布式監(jiān)測等特殊檢測需求，與當前環(huán)境保護領域的快速檢測需求具有非常高的契合度。經(jīng)過國內(nèi)外學者堅持不懈地努力和研究，目前已經(jīng)可以實現(xiàn)對環(huán)境中多種氣體和水質指標進行監(jiān)測的目標[5-8]。在氣體監(jiān)測方面，目前光纖光柵傳感器已經(jīng)可以完成氨氣、二氧化氮、甲烷、乙炔等多種氣體的實時監(jiān)測。在水質監(jiān)測方面，目前光纖光柵傳感器已經(jīng)可以完成pH、含氧量、離子類型以及濁度等水質參數(shù)的快速檢測。

光纖光柵傳感器是在光纖技術的發(fā)展下逐步發(fā)展起來的，相對于傳統(tǒng)的傳感器設備和儀器有著許多特殊的優(yōu)勢，因此近年來受到了更加廣泛的關注。隨著光纖光柵傳感技術的日益成熟，光纖光柵傳感器將在環(huán)境監(jiān)測領域發(fā)揮更加重要的作用。

2 光纖光柵溫度傳感器原理分析

在環(huán)境條件保持穩(wěn)定時，光波在光纖介質中傳播的特性也呈現(xiàn)出穩(wěn)定的特點。但是，當外部環(huán)境發(fā)生變化時，光波就會受到相應的調制作用，從而出現(xiàn)一定的變化。通過光電敏感器件對這種變化進行識別和測量，即可計算出外部環(huán)境變化的情況。在環(huán)境中，溫度是一個極為重要的物理量，它對光纖光柵傳感器的影響也是十分明顯的，因此可以通過光纖光柵傳感器進行精確的溫度監(jiān)測。

根據(jù)模式耦合理論，一個具有一定帶寬的光源發(fā)出的光波，在經(jīng)過光纖光柵時，并非所有光波都會向前傳播，其中有一部分光能量會向后反射回來[9-10]。實際上，被反射回來的這部分光波的波長是滿足布拉格條件的，而不滿足布拉格條件的光波都會向前傳輸或被吸收。

光纖布拉格光柵的折射率沿z軸的分布可以用式（1）描述：

其中，neff表示有效折射率，Λ表示光柵周期。由式（1）不難發(fā)現(xiàn)，neff和Λ兩個參數(shù)共同決定了中心波長λB，如果兩個參數(shù)中至少有一個發(fā)生改變，那么中心波長一定會發(fā)生移動。在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，當傳感器所處環(huán)境的溫度、應變等條件發(fā)生改變，那么neff和Λ也會隨之改變，最終導致中心波長λB的改變。

對式（21）兩邊取微分，得：

顯然，只要知道了波長漂移量，就可以推導出外界環(huán)境中如溫度、應變或壓力等物理量的變化，從而實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的目的。實際上，對反射光波的波長變化量進行精確測量是非常困難的，因此，在實際工作中并不直接對波長變化量進行測量，而是通過其他的參量來進行間接推導。

3 光纖光柵解調系統(tǒng)設計

光纖光柵傳感器的物理媒介是光波，但實際工作中要測量的往往是溫度和應變等物理量。將光學特性轉換為實際物理量的過程稱為光纖光柵解調，解調是實現(xiàn)光纖光柵傳感器應用的前提，因此本文設計了圖1所示的光纖光柵解調系統(tǒng)。

圖1 光纖光柵的解調過程原理圖

寬帶光源發(fā)出一束光波，光波照射到傳感光柵模塊上，光柵中不滿足布拉格條件的波長成分將會直接透射過去，只有少量滿足布拉格條件的波長成分會被光柵模塊反射回來。對于這部分反射回來的光，需要知道其波長的變化情況，但直接測量比較困難。因此，將反射光導入到一個可調的光纖F-P濾波器上，然后采用間接測量的方案。

首先對反射光進行窄帶掃描，被掃描的光波段被接收器接收后轉換為光譜分布，該光譜分布實際上是受到了波長的調制的。接下來將光譜分布轉換為電流信號，該電流的大小可以直接表征光強的大小，但電流值通常是非常微弱的，還需要通過放大電路進行放大。經(jīng)過放大并整形的電流信號被轉換成了脈沖電壓，該脈沖電壓由單片機進行接收并鎖定其上升沿和下降沿，在此期間采用計時器進行計數(shù)，當計時中斷信號被觸發(fā)時的計數(shù)值，就是壓電陶瓷施加在光纖F-P濾波器上的電壓值。根據(jù)傳感器的標定曲線，即可計算出反射波的中心波長和波長變化量，從而演算出環(huán)境溫度的真實值。

4 危險區(qū)域溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究

4.1 監(jiān)測方案的選擇

危險區(qū)域具有很高的危險性，如高壓線路、強電磁輻射區(qū)域等，如果安排人員到達現(xiàn)場進行溫度的測量，很難保證安全性。因此，危險區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測通常利用遠程監(jiān)測系統(tǒng)。無論是高壓環(huán)境還是強輻射環(huán)境，都會對一般的電子系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，電磁兼容問題難以解決。而光纖光柵傳感器是以光纖和光波為載體的，對電磁輻射不敏感，因而非常適于危險區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測。

4.2 系統(tǒng)總體架構設計

本文設計的光纖光柵溫度監(jiān)測系統(tǒng)總體架構如圖2所示。系統(tǒng)由現(xiàn)場部分和遠程監(jiān)控部分組成，兩者之間通過移動通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。其中，現(xiàn)場部分安裝在危險環(huán)境中，主要包括GSM發(fā)射器、單片機、光纖光柵傳感器、電源等，遠程監(jiān)控部分則由GSM接收器、從機和上位機構成。

圖2 系統(tǒng)總體架構

光纖光柵溫度傳感器在采集到光信號后，由單片機進行解調并計算出實時溫度值，然后通過RS-485串行總線將溫度值傳輸至GSM模塊中，GSM模塊會對溫度信號進行編碼，并通過移動通信網(wǎng)絡發(fā)送出去。遠程監(jiān)控中心在接收到數(shù)據(jù)后進行解碼，并通過顯示設備實時顯示出來，從而實現(xiàn)危險區(qū)域的遠程環(huán)境溫度實時監(jiān)測。

4.3 關鍵設備選型分析

4.3.1 單片機選型

在危險環(huán)境中，要求系統(tǒng)的設備具有很好的穩(wěn)定性。單片機作為系統(tǒng)的控制模塊，對所有的模塊進行協(xié)調控制，并負責信號的處理，應滿足成本和性能的基本要求。本文采用宏晶科技生產(chǎn)的工業(yè)級STC12C5A60S2型單片機，其內(nèi)部結構如圖3所示。

圖3 STC12C5A60S2型單片機片上資源及結構

該器件采用增強型8051 CPU，工作頻率為0～35 MHz，工作溫度范圍在-40～85 ℃之間，應用程序空間最高可達62kB，片上集成1 280B RAM，自帶EEPROM功能，內(nèi)置4個16位定時器、2路PWM、8路10位精度ADC。該器件具有高性能、低功耗、超強抗干擾的優(yōu)點，完全可以滿足系統(tǒng)設計的要求。

4.3.2 GSM模塊選型

對于危險區(qū)域的溫度監(jiān)測，還需要滿足遠程操作和數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。由于危險區(qū)域不適合大規(guī)模布線，因此監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸宜采用無線傳輸方案。通過在硬件系統(tǒng)中集成TC35型GSM模塊，即可實現(xiàn)通過移動通信網(wǎng)絡來傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)的目的。TC35是Siemens公司研發(fā)的無線通信GSM模塊，支持數(shù)據(jù)和語音傳輸、短消息服務和傳真，是一款常用的高性價比GSM器件。

4.4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用可視化編程語言VB6.0開發(fā)，可實現(xiàn)實時溫度在線監(jiān)測、智能分析處理、實時溫度預警、歷史數(shù)據(jù)存儲與查詢等功能。在軟件中，每個功能模塊設計一個子程序來實現(xiàn)，最后通過主程序的統(tǒng)一調用，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

系統(tǒng)開機后，由主程序自動調用系統(tǒng)初始化程序，完成各硬件設備工作的準備。接下來，由用戶通過鍵盤和顯示器完成光纖光柵傳感器的信息配置，如傳感器名稱、安裝位置、測點位置、初值等，同時還要配置好GSM的信息，包括目標IP和端口，以便向遠程監(jiān)控中心傳輸數(shù)據(jù)。用戶還需要對每個測點的溫度閾值進行設置，以保證當溫度超出預定范圍后可以及時觸發(fā)報警。完成以上步驟后即可啟動光纖光柵解調程序，然后與光纖光柵傳感器建立串口連接，同時向GSM接收端發(fā)起連接請求，并建立TCP長連接。如果串口緩存空間中已經(jīng)采集到數(shù)據(jù)，即可將其讀取出來。此時讀取到的是光的波長信號，但系統(tǒng)所需的是溫度值，因此需由主程序調用解調程序，對光波信號進行解調得到溫度值。該溫度值會通過GSM發(fā)送程序實時發(fā)送到遠程監(jiān)控中心。

遠程監(jiān)控中心調用GSM接收程序完成溫度數(shù)據(jù)的接收，并根據(jù)用戶設定的閾值對實時溫度進行比較，如果溫度超出了設定的閾值范圍，那么立即調用預警子程序在系統(tǒng)界面中發(fā)出預警信號，必要時可以通過短信的方式向管理員發(fā)送預警短信。如果溫度值在正常范圍內(nèi)則無須預警，將數(shù)據(jù)直接存入數(shù)據(jù)庫中備查即可。

5 系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)分析

5.1 系統(tǒng)測試

在解調子程序中讀取并保存光柵反射峰的中心波長值，如果光路上串接了多個光纖光柵傳感器，那么就會接收到多個相應的峰值波長。當外部環(huán)境溫度發(fā)生變化時，每個光纖光柵中心波長也會相應地出現(xiàn)偏移。為了測試不同溫度環(huán)境下的系統(tǒng)性能，本文采用水浴法進行測試，即將光纖光柵浸泡到水中，對水進行加熱以獲取所需的溫度。通過高精度溫度計來測量實際水溫，測量精度精確到0.1 ℃，每隔5 ℃記錄下相應數(shù)據(jù)，與光纖光柵中心波長一同記錄下來。測試系統(tǒng)中共串聯(lián)了7個光纖光柵傳感器，所得波長信息如表1所示。

5.2 數(shù)據(jù)分析

測試中對一條光路上的7根光纖光柵進行溫度標定實驗，獲取其中心波長并尋找它與溫度的關系。表2所示為其中一根光纖光柵的標定數(shù)據(jù)，為減少實驗誤差，實驗重復進行了3組。

對以上中心波長與溫度關系數(shù)據(jù)進行最小二乘法擬合，即可得到光纖光柵的標定曲線，如圖5所示。

表1 各傳感器的峰值波長及峰值能量

表2 實測溫度-波長數(shù)據(jù)

圖5 光纖光柵標定曲線

5.3 系統(tǒng)的應用

為了驗證本系統(tǒng)設計的合理性，將該系統(tǒng)放到了某化工車間內(nèi)進行試運行。由于化工車間內(nèi)有多種有毒氣體，在生產(chǎn)期間人員不能隨意進入，因此采用本系統(tǒng)進行車間室內(nèi)溫度監(jiān)測。系統(tǒng)測得某一天的溫度數(shù)據(jù)如表3所示，將數(shù)據(jù)以曲線的形式展示如圖6所示。

如圖6所示，工藝溫度控制曲線與實測溫度曲線基本吻合，最大誤差不超過1%，測量精度遠超工藝要求的5%，完全可以滿足環(huán)境監(jiān)測需求。

6 結論

危險區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測通常利用遠程監(jiān)測系統(tǒng)，而光纖光柵傳感器對電磁輻射不敏感，非常適于危險區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測。本文設計的光纖光柵溫度監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場部分和遠程監(jiān)控部分組成，通過移動通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，由單片機進行解調并計算出實時溫度值。如果溫度超出了設定的閾值范圍，能夠及時發(fā)出預警信號。測試和應用結果都表明，系統(tǒng)運行可靠、測量精確、預警及時，最大誤差不超過1%，完全滿足環(huán)境監(jiān)測的需求。

圖6 實測溫度時程曲線

表3 某化工車間一天的溫度實測數(shù)據(jù)