光纤光栅式智能温度传感器的设计＊

马赛飞，刘钧



光纤光栅式智能温度传感器的设计＊

马赛飞1，刘钧2

（1.河南省气象探测数据中心，河南 郑州 450003；2.中国华云气象科技集团公司，北京 100000）

为了实现在复杂恶劣环境下对温度的智能监测，且气象站能远程获得实时气象数据，提出采用光纤光栅作为传感元件，使其与光耦合电路、光电探测器通过光纤连接，最后连接到带有ZigBee的数据处理模块，设计出光纤光栅式智能温度传感器系统。介绍了硬件的构建和应用软件的流程图，通过应用软件实现数据的处理，传输给集成处理器，最终实现对温度的采集。经过测试，该传感器具有高分辨率、抗电磁干扰、误差范围小等优点，能够满足智能气象站温度采集的需求。

气象站；光纤光栅；中心波长；ZigBee

1 引言

作为工农业生产过程中一个很普遍的测量参数，温度可以通过物体随温度的变化的某些特征来间接测量[1]，实时有效的温度计量和监测在国民经济各部门也具有重要影响力和非常广泛的应用。

要将温度信号转变为电信号则离不开温度传感器，尤其在气象探测领域，温度传感器的数量大约占全部传感器一半的比例[2]。研究发现，光纤温度传感器与传统的温度传感器相比，它具有灵敏度高、不受电磁干扰、抗腐蚀性好等优点，特别适用于苛刻环境下的温度检测。光纤光栅在未来很长一段时间内，都将是光纤通信系统中最具有实用价值的器件之一，是一种无源滤波器件，全兼容于光纤，其谐振波长对温度的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用[3]。

利用光纤光栅制作的温度传感器的传感信号为波长调制，这一传感机制的好处在于：能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布拉格光栅进行分布式测量，传感器的一个发展方向就是多点、分布式；高分辨率和大范围的对材料内部的温度进行测量[4]。

利用这些好处可以将它运用于交通上的气象站，设计中加入ZigBee无线传输模块，以无线传感网络技术、智能信息处理技术、光纤光栅传感技术为支撑，研制低功耗、高集成、网络化、智能化的地面气象智能传感器，实现地面气象要素的智能观测，设计出了能够无线传输温度数据的智能温度传感器系统，可以将它应用于智能化交通气象站中测量温度，满足数据的实时性与准确性。

2 传感原理及总体方案设计

2.1 光纤光栅传感原理

光纤光栅传感技术为光纤传感技术的一种，而其中的核心传感元件为光纤光栅（Fiber Bragg Grating，简写为FBG），它是具有特殊结构的一段光纤。它的功能相当于反射镜或滤波器，对入射的宽带光会选择性地反射回一个窄带光，透射光继续行进，如图1所示。选择性是指每一个光纤光栅返回光的中心波长，是由刻写时候的参数确定的，一旦光纤光栅刻写完毕，其返回的中心波长数值即确定。该中心波长与光纤光栅的物理特征满足布拉格方程，该中心波长在温度、应变的作用下发生偏移，通过测量中心波长的偏移，即可反演出温度、应变数据[5]。

图1 光纤光栅功能示意图

布拉格方程为：

B=2eff. （1）

式（1）中：B为光纤光栅的中心波长；eff为光栅的有效折射率；为光栅条纹周期。

对上式进行变化，可得出光纤布拉格光栅中心波长变化量与温度变化之间的关系。

当光纤光栅周围的温度发生变化Δ时，此光纤光栅的中心波长会发生漂移ΔB，通过检测ΔB，便可以计算出外界温度的改变量Δ。其中，温度变化Δ与波长变化ΔB之间满足：

ΔB/B=（+）×Δ（2）

式（2）中：为光纤的热膨胀系数，取0.55×10-6/℃；为光纤光栅的热光系数，常温下取6.3×10-6/℃；Δ是温度变化量；ΔB为中心波长变化量；B为光纤光栅中心波长。

经计算，可明确获知当温度上升1 ℃，波长则变化10 pm，所以实时监测光纤光栅中心波长的变化，即可准确感测温度数值，且温度变化与波长变化成线性变化，如图2所示。

图2 中心波长与温度的线性曲线

2.2 总体方案设计

本次设计的温度传感器是利用光纤光栅中心波长受光纤光栅对温度的变化的原理，对光纤光栅进行封装形成了光纤光栅传感器。光纤光栅将被测的温度转化为光信息，由光纤传输，通过光耦合器和光电探测器，最后接入设计的硬件电路数据处理模块，实现温度传感器的设计，模块使用锂电池进行供电并且配有太阳能板可对其进行充电。系统处理器通过各个引脚控制外围电路，实现对温度要素的采集与无线传输。传感器系统适配各种微控制器，是在硬件的基础上通过软件来实现采集、传输功能的，同时软件的开发水平也决定其智能化程度。同时为了更好地对观测数据进行解析和实现软件算法，采用统一的质量控制标识码。气象要素设备级数据采样算法和质量控制，是获得准确探测数据的重要过程。传感器级质量控制是基本的质量控制，是对采样值转换为气象要素的过程进行质量控制，其质量控制对象为气象要素的采样值。

3 硬件的构建

设计的温度传感器系统主要由传感元件光纤光栅、光耦合器、光电探测器、数据处理模块组成。光纤光栅十分纤细，要对裸栅进行封装，增强传感器的机械强度和使用寿命[6]。本设计采用双层钢管封装技术，不仅可以有效提高传感器的温度灵敏度，使传感器能自由感应被测对象的温度变化，而且消除了外界应变影响，使传感器免受外界应力的冲击。利用长周期光栅作为线性滤波器，宽带光源经过其调制后入射到传感光栅，可解调光纤光栅的波长移位[7]。当传感光栅的波长被传感信号调制时，其反射峰在线性区域的位置发生变化，但其谱形不会随着被测信号改变而改变。因此反射的绝对光功率将呈线性变化，光电探测器的光电流将呈线性变化，这样就可以解调光纤光栅的波长变化。数据处理模块包括硬件和应用软件，其中硬件包含高性能处理器（CPU）、高精度A/D转换电路、高精度时钟电路、程序存储器、数据存储器、供电单元、通信接口、铂电阻、监控电路和指示灯等，传感器中的数据处理模块RS232通信接口与外置电源接口统一采用一个5芯孔型航空插头，其中1脚为电源正，2脚为电源负，3脚为TX，4脚为RX，5脚为RS232的GND。系统硬件构成如图3所示。

图3 系统硬件构成图

数据处理模块采用内置锂电池供电，外置电源接口连接太阳能板或其他充电设备，通过电源转换模块给内置电池充电，外接电源供电电压为5～15 V。无线通信天线应选用频率2.4 GHz、增益＜12 dBi的天线，安装位置应能保障正常通信。自带高精度实时时钟，时钟走时每日误差≤1 s，接受集成处理器定时校时，校时误差小于1 s。同时选择16位以上的A/D转换电路，满足传感器测量精度要求。程序存储器为非易失性的，容量应满足应用软件容量要求，而且具有50%的余量。数据存储器应选择非易失性的、容量满足数据存储需要，并有50%余量。天线接口用于安装 ZigBee外置天线，RS232/485/422接口用于串口通信与调试，同时外接电路还有系统运行状态指示灯和通信状态指示灯。

4 应用软件设计与实现

系统软件是整个系统的重要部分，实现数据智能化处理，主要分为3个功能模块，包括数据采集模块、数据处理模块和数据上传模块。其中数据采集模块主要采集气象信息，数据处理模块主要完成采样算法计算、数据质量控制和存储；数据上传部分主要为集成处理器提供分钟和5分钟气象要素，其交互方式可采用串行通信或无线网络通信。无线通信应用软件协议栈为Z-Stack 2007 Pro，RS-232通信协议设置为1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验，默认9 600波特率。同时采取相应软件手段，对相应模块的程序进行调试，进一步提高系统的准确度。软件数据流程如图4所示。

5 测试结果及应用

通过实验测试，本次设计的光纤光栅温度传感器符合最小分辨力0.01 ℃，最大允许误差±0.1 ℃的要求。传感器温度测量范围和精度均能满足要求，使用效果良好。最后将设计好的温度传感器放置在楼顶，连接好锂电池和太阳能板，进行试验，通过超级终端，集成处理器可以接收到温度传感器通过无线模块发送过来的数据，串口测试软件如图5所示，目前系统可以稳定的运行。

图4 软件流程图

图5 串口软件测试图

6 结束语

在现有的研究成果基础上，设计了一种光纤光栅式智能温度传感器系统，加入无线模块，进行系统模块化的设计。最后对设计的温度传感器系统进行了测试，在允许误差范围内，达到了大范围的测量，抗腐蚀性好，高可靠性的设计要求能够满足气象站测温的需要。适合气象观测的智能型温度传感器具备校准功能、质量控制、设备状态等功能。使用了高稳定性的电子测量技术、短距离无线通讯技术、数据传输协议等技术，把光纤测量技术推广运用到对气象要素的测量中，把光纤测量技术引入气象探测应用中。通过机械结构设计，可对应变监测变形，还可以对气压、湿度、风向、风速等进行测量，有良好的发展前景。

［1］何希才，任力颖，杨静.实用传感器接口电路实例［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［2］王召光.我国传感器产业的技术和应用趋势［J］.电子技术与软件工程，2014（4）：151.

［3］饶云江，王义平，朱涛.光纤光栅原理及应用［M］.北京：科学出版社，2006.

［4］姜德生，何伟.光纤光栅传感器的应用概况［J］.光电子·激光，2002，13（4）：420-430.

［5］谢怀勤，卢少微，王武娟.固化于CFRP的光纤布拉格光栅应变传感特性研究［J］.哈尔滨工业大学学报，2006，38（10）：1813-1815.

［6］徐钒婕，苗长云，李鸿强，等.智能服装用光纤Bragg光栅的封装研究［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2009，28（10）：9-11.

［7］Sergei A.Vasiliev，Oleg I.Medvedkov.Long-period refractive index fiber gratings：properties，applications，and fabrication techniques［C］//Advances in Fiber Optics，2000.

［8］朱晓博，马尚昌，张素娟，等.传感器智能化及电子数据表格更新方式的研究［J］.成都信息工程学院学报，2014，29（1）：59-64.

［9］张治国，余重秀，罗映祥，等.匹配光纤光栅温度传感解调系统［J］.光学技术，2006，32（1）：105-107.

［10］吕辰刚，武星，葛春风，等.关于光纤光栅应力传感及解调的研究［J］.传感技术学报，2004，17（1）：146-149.

［11］王玉田，孙卫新，柴云霞.布喇格光栅在温度测量中的应用［J］.仪表技术与传感器，2000，13（4）：16-18.

［12］王宏亮，张晶，乔学光.一种耐高温光纤Bragg光栅温度传感器［J］.传感技术学报，2008，21（6）：964-966.

国家重大科学仪器设备开发专项项目（编号：2012YQ110205）

2095－6835（2018）24－0125－03

TP212.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.125

马赛飞（1990—），男，硕士研究生，研究方向为大气探测信息处理、地面气象观测。

〔编辑：严丽琴〕