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摘要：基于光纤的双折射效应，本文设计了一种以保偏光纤为传感探头的温度传感器。从理论上计算分析了我们的光纤传感器工作原理，传感头采用反射式结构，提高测量灵敏度。我们在-40℃~70℃条件下进行了样机测试，实验结果表明，温度分辨率为0.01℃，精度误差约为±0.5℃（以DS18B20为基准），整体性能良好。
关键词：双折射效应；保偏光纤；温度传感器
引言
光纤温度传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器，与传统的温度传感器相比，光纤具有抗电磁干扰、工作频率宽、动态范围大、信号传输距离远等优势，其在电力系统，航空航天，桥梁建筑，医学等领域得到广泛的应用[1]。尤其是在电力系统中，工作温度是电力设备的重要运行参数，通过监测电力设备温度信息获取电力设备的运行状况是电力系统故障预报与诊断的的研究热点[2]。
如应用于变压器绕组或绝缘油温度、开关柜温度、电缆隧道监测、电厂温度及时掌握设备的运行与老化等情况，提前发现和排除安全隐患。
目前应用的光纤测温技术主要有荧光光纤测温、光纤光栅温度传感器以及分布式测温等。荧光测温是依据荧光强度、荧光强度比或荧光寿命与温度的关系进行温度的探测，能够测量环境的绝对温度，中低温范围内测量灵敏度高，但是荧光物质发光特性受温度影响，稳定性较差；光纤光栅测温原理是光栅反射中心波长会随着温度的变化而改变，属于波长调制，不受光强影响，光栅的封装与交叉敏感问题制约着它的应用；分布式光纤测温根据拉曼散射或布里渊散射进行温度的探测，能够在空间多点连续测量，其空间分辨率和信号接收检测能力还需提高。
1992年，Anbo Wang.等人基于双折射效应和偏振调制原理设计了一种双折射平衡型高温传感器，采用蓝宝石晶体作为传感头[3]；金晓丹.等人提出一种补偿式双折射温度传感系统，该技术从原理上消除了光源功率和系统光强衰减等因素的影响[4]；王勇等人制作了实用化的双折射温度传感器[5]。以上传感器都是用双折射晶体块作为传感头，光纤传输光信号，关键光学器件隔离，增加系统的复杂度和误差，且不利于现场实际安装。杨远洪等人利用保偏光纤作为传感头提出了简易的温度传感器[6]，但并未考虑光源功率等稳定性问题。本文采用补偿式方法设计一种基于双折射效应的光纤温度传感器，消除光源功率漂移、光纤传输损耗变化等因素的影响，具有较好的稳定性和测量精度。
光纤传感器工作原理：
如图1所示，是光纤温度传感器的工作原理图。其中包含宽谱光源SLD，光环形器，偏振分束器，光电探测器，传输保偏光纤，传感保偏光纤，反射镜以及信号接收处理单元。宽谱光源SLD发出通过环形器后进入偏振分束器，输出的一束线偏振光进入传输保偏光纤，并且偏振光的偏振方向平行于传输保偏光纤的主轴，沿主轴保偏传播进入到温度传感器传感头。传感头是一段保偏光纤制成的光纤波片，光纤波片的前端光轴与传输保偏光纤的光轴成45°熔接，后端接反射镜，偏振光经过45°熔接点在光纤波片内会分解为两束正交模态的偏振光，分别沿光纤波片的快慢轴传播，它们通过波片后会产生相位差，被波片后端的反射镜反射回来再次通过波片，相位差增加一倍，两束光返回经过45°熔接点进入传输光纤，然后通过偏振分束器发生干涉，并将两束正交偏振态的干涉光分开，一束干涉光通过环行器输出，另一束干涉光通过偏振分束器的另一通道输出，通过光电探测器收光信号并转化为电信号，最后传入到信号处理单元进行处理分析。
图1 光纤温度传感器工作原理
当光纤波片周围的温度发生变化时，光纤波片的双折射温度效应会导致光纤波片的快慢轴折射率发生不同的变化，从而改变光纤波片中两正交偏振光的传播常数差，导致两正交偏振光之间的相位差随温度发生变化，利用干涉法测出两偏振光的相位差，即可根据相位差与温度的映射关系获取温度信息。
理论计算：保偏光纤的双折射效应受温度的影响，在-200℃~400℃温度范围内，可以忽略高阶项，保偏光纤的相位差随温度的变化成线性关系[7]，表达式如下：
φ(T)=Δβ0L0(1+C(T-T0))=φ0(1+C(T-T0)) （1）
式中Δβ0=2π/LB。
其中，Δβ0为两正交偏振光的传播常数之差，LB为保偏光纤拍频长度，L0为波片光纤室温条件下的长度，φ(T)是温度为T时的相位差，φ0为温度是室温T0的情况下的相位差，C是保偏光纤的温度系数，约为10-4或10-3量级[8]。
该系统中，光纤传感头是最重要的光学器件，用保偏光纤制备而成，有线性双折射效应，因此传感头波片的光学琼斯矩阵可表示为：
（2）
入射光路中偏振分束器将两束正交模态的光分开，并分别对两束光起到检验偏振的作用。
因此可得到两个输出的偏振光分别为：
Eoutx=
（3）
Eouty=
（4）
其中，Eoutx、Eouty分别为x、y方向偏振的电场矢量；E_in为起偏后线偏振光的电场矢量；
分别为入射和反射光路系统中45°熔接角的作用矩阵；Jr是反射镜的作用矩阵；Jx、Jy分别为偏振分束器x、y方向检验偏振作用矩阵。
由式（3）、（4）可以得到两探测器探测的干涉光强度分别为：
其中，Ioutx、Iouty分别为x、y方向偏振的出射光光强，Iin是入射光光强。
从（5）、（6）式中我们可以看出，两探测器探测到的干涉光强均含有直流成分，并且直流成分大小相等。直流成分对测量有不利的影响，因此，我们需要消去信号中的直流分量，提取交流信号，同时为了排除光源信号不稳定带来的误差影响，我们可以得到相对强度的交流信号：
（7）
u是相对强度交流信号响应。
把式（1）代入上式（7）中就可以得到：
T=T0+
（8）
式中，u0=cos2φ0，即室温T0状态下测量的交流信号，系数C可以测量标定得到。
信号处理单元
信号处理单元采用DSP(ADSP-BF548)+FPGA(XC6SLX16)构架，还包括光电探测器、前置放大器、AD转换器、DAC以及光源驱动电路，同时扩展了RS485和光纤以太网接口。
DSP主要负责信号的高速采样及软件算法的实现，采用VDK嵌入式操作系统进行任务调度，使用内部定时器进行精确定时。在定时器中断中进行信号的采样、滤波、保存，当数据缓冲区填满后在中断中发送信号量给调度器，调度器收到信号量后激活数据拟合任务进行温度拟合运算。
如图2所示，光电探测器将光强信号转换为小电流信号，经过前置放大器后送入模数转换器，系统采用AD7606将模拟信号转换为数字信号，DSP通过高速采样ADC的输出来获取和解调数字信号，我们采用多阶多项式拟合的方式进行温度解调还原。最后，DSP将解调的温度数据以及内部状态监视信息通过RS485传送到后台进行显示，同时将相关信息写入LCD液晶显示器以及FPGA内部高速RAM中。
图2信号处理工作原理
我们基于Labview开发了光纤测温系统相应的上位机系统，可实时监测8路传感器的温度状态，以及光源的运行情况，同时可以输出各路的历史温度变化情况曲线图，并且可以存储温度数据。
图3上位机软件界面
测量曲线
样机测试结果与分析
我们根据上述光纤温度传感器原理制作了样机，在-40℃~70℃环境下进行了测试，并且在相同条件下和DS18B20（?DS18B20的测量范围为-55℃~+125℃;在-10~+85°C范围内，精度为±0.5°C。）电子式温度传感器进行了测量标定。图4所示是光纤温度传感器的主板以及光纤传感头。实验中所用宽谱光源SLD的光波长为1310nm。光纤传感探头和DS18B20传感器是绑定在一起的，测量温箱中同一点的温度变化。
图5是样机和DS18B20同时在温箱中的温度测试曲线图。从图5(a)可以看到，光纤温度传感器整体温度测量曲线和DS18B20的温度测试曲线是一致的，温度误差均约为±0.5℃。图5(b)是室温10min内的传感器温度变化曲线，我们可以看到光纤温度传感器的分辨率明显高于DS18B20，达到0.01℃。
图4光纤温度传感器实物
图5传感器温度测试曲线
我们光纤传感器测出来的温度与DS18B20间的误差来源可能有几点：传输光纤和传感光纤的熔接角度误差；参数的标定拟合有偏差。
我们对传输光纤和传感光纤的熔接角度误差做具体分析。在实际光纤熔接过程中，熔接角度是可能产生微小误差的，传输光纤和传感光纤的熔接角度并非刚好45°，我们假设传输光纤和传感光纤的熔接角度为45°+ε，其中ε为熔接过程产生的微小误差角度。这个微小误差角会对我们探测器得到的信号产生影响，考虑熔接角度误差后交流信号表达式如下：
其中u为光纤熔接角的有误差情况下的交流响应信号，Δu为交流响应信号误差量。
图6是误差角度ε分别为1°，2°，5°和10°时的交流信号响应曲线图，并和没有误差（ε=0°）做了相应对比。我们可以发现，信号误差Δu与传感光纤产生的相位差φ有关，在相位差为π/2奇数倍附近时，误差较小，在相位差为π/2偶数倍附近时，误差较大，因此选择合适的传感光纤长度，让相位差在适当的范围内变化，以减小测量误差，是非常有必要的。对于同一相位差，误差角度低于5°时，信号最大误差非常小（小于5％），误差角度为10°时，信号误差就比较明显了。同时，从交流信号响应灵敏度方面来看，光纤相位差π/4处，交流信号曲线斜率最大，线性度好，灵敏度最高，但是误差会较大，因此信号测量灵敏度和精度需要适当的协调。当熔接角度误差特别小时（比如小于2°），可以选择灵敏度最高的初始相位差；当熔接角度较大时，可以选择适当降低测量灵敏度来减小测量误差。
图6光纤熔接角度误差对交流信号的影响
结论
光纤温度传感器是一种新型温度传感器，具有绝缘耐高压，抗电磁干扰，工作频率宽，动态范围大，信号传输距离远等优点。本文基于保偏光纤的双折射效应原理，设计了一种偏振光干涉型的光纤温度传感器，从其工作原理上论述该设计方案的可行性。并根据原理制作样机进行试验，实验结果表明，我们的光纤温度传感器有良好的精确度和非常高的温度分辨率，同时对该测温系统可能产生的误差做了一定的分析。该研究对电力系统以及其它相关领域具有非常重要的应用价值。
参考文献
[1]周广丽,鄂书林,邓文渊.光纤温度传感器的研究和应用.光通信技术,2007,6:54~57
[2]李强,王艳松,刘学民.光纤温度传感器在电力系统中的应用现状综述.电力系统保护与控制,2010,38(1):135~140
[3]Anbo Wang, George Z. Wang, et al Birefringence-balanced polarimetric optical fiber sensor for high-temperature measurements. Opt. Lett,1992,17(19):1391~1393.
[4]金晓丹,廖延彪,赖淑蓉,赵华风.一种高精度补偿式双折射型光纤温度传感系统.中国激光,1996,23(5):465~469
论文作者:徐盛果,袁列荣
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
标签：光纤论文; 误差论文; 温度论文; 相位差论文; 信号论文; 偏光论文; 偏振论文; 《电力设备》2018年第20期论文;