基于双锥微结构和陶瓷嵌件F-P腔的光纤多通道应用温度监测系统

《Optics & Laser Technology》：Temperature monitoring system for fiber optic multichannel applications based on double-cone microstructure and ceramic-inserted F-P cavities

多通道光纤温度监测系统融合双锥传感器宽范围测量与法布里-珀罗传感器高精度检测，通过数据融合与移动平均滤波提升稳定性，解决中小型干燥室温度分布不均问题。

　　

Fang Wang|Xinghua Guo|Yanzhong Yuan|Xinyi Zhao|Min Sun|Yufang Liu

河南师范大学光电工程学院，中国新乡453007

摘要

我们展示了一种基于强度解调的多通道光纤温度监测系统，用于在金银花加工过程中对电磁加热干燥室进行三维温度监测。该系统集成了八个空间分布的测量点，并使用了两种类型的光纤温度传感器探头。首先，采用CO₂激光锥形技术制造的双锥微结构传感器可以在30至80 ℃的宽温度范围内进行监测，从而能够绘制出全面的温度分布图。其次，封装在陶瓷套管中的Fabry-Perot（F-P）传感器可以在44至46 ℃的狭窄关键温度范围内实现高精度测量，从而精确控制活性组分的拐点温度。这两种传感器的数据融合使系统具备了宏观情境感知和微观精确测量的能力。此外，在数据处理中加入移动平均滤波器有效抑制了由光源变化和光开关插入损耗引起的功率波动，从而提高了系统的稳定性。实验结果表明，双锥传感器的灵敏度为?0.112 dBm/°C，相应的系统转换灵敏度为0.0131 V/°C，检测限优于0.5°C；F-P传感器的灵敏度为?3.171 dBm/°C，系统转换灵敏度为?0.928 V/°C，检测限为0.02°C。所提出的系统解决了中小型干燥室内温度分布不均匀的行业问题，为精确温度控制提供了可靠的解决方案。

引言

由于电磁加热真空干燥技术具有高效、可控性和低污染等优点，因此被广泛用于金银花加工[1]。然而，这项技术在准确表征烤箱的整体温度分布和精确控制关键温度拐点方面仍面临严峻挑战：气流死区和架子之间的间隙等烤箱内部区域可能导致局部温度异常；整个干燥工作流程需要宽范围的温度监测；而热敏成分的有效保存严格依赖于特定拐点温度（如45°C）的精确维持[2]。因此，开发一种能够同时实现宽范围、多点和高精度监测的新型温度测量系统对于确保金银花的干燥质量具有重要意义。现有的电子和机械温度传感器在强电磁干扰下容易发生测量漂移或故障[3]，这进一步增加了药用成分损失的风险[4]。光纤传感器由于其对电磁干扰的固有抵抗力和良好的环境适应性，已成为实现高灵敏度、宽范围温度监测的关键技术，并适用于海洋勘探[5]、[6]、医疗保健[7]、建筑[8]和农业[9]等领域。然而，基于光纤的温度测量技术（如光纤布拉格光栅[FBGs][10]、马赫-曾德尔干涉仪[MZI][12]、Fabry-Perot干涉仪[FPI][13]和非线性效应）在满足低成本应用要求方面存在困难，因为它们的信号处理复杂且解调成本高[14]。在这种情况下，基于强度调制的传感器由于具有简单的信号处理和易于实现的特点，成为更理想且更具成本效益的替代方案[15]。

尽管已经投入了大量研究来提高基于强度调制的光纤温度传感系统的性能，但固有的挑战仍然存在。Huang等人开发了一种基于锁相环的解调系统，其信噪比超过24 dB且结构简单[16]，但其测量范围有限。Khan等人通过结合U形和毛细管型封装探头以及啁啾光纤光栅边缘滤波，将检测范围扩展到了181.5°C[17]，尽管在准确性和长期稳定性方面仍有改进空间。Raji等人提出了一种基于强度调制的突变锥形光纤MZI，通过双波长功率解调同时测量温度和曲率，实现了0.083 dB/°C的灵敏度[18]。然而，这两种方法都面临着交叉灵敏度校准的挑战。Qi等人的匹配光栅方法将波长漂移转换为强度变化，以实现折射率和温度的同时检测[19]，但其准确性受到光源和写在光子晶体光纤中的长周期光栅稳定性的限制，以及测量范围的限制。Zhao等人的传感器利用快速傅里叶变换解调干涉条纹对比度，实现了2.1 dB/°C的灵敏度和0.00048°C的分辨率[20]，但其可用范围受到光谱包络自由光谱范围的限制。Yu等人的液乙醇填充光子晶体光纤传感器表现出优异的线性（0.315 dB/°C）[21]，但其测量范围同样受到光谱包络的限制，且液填充过程引发了关于制造复杂性和长期可靠性的担忧。Mizuno等人的斜率辅助解调通过监测多模干涉光谱斜率实现了快速的温度响应，无需波长扫描[22]，但它对光源波动和光纤损耗非常敏感。Li等人的基于硅的MZI传感器与FBG频率稳定激光器配合使用时，达到了0.002°C的分辨率[23]，但该方法制造复杂且成本高昂，并且对振动敏感。传统的强度解调方案通常存在固有的局限性，包括宽测量范围和高精度之间的权衡、对光源强度波动的敏感性以及结构复杂性。为了解决这些挑战，我们报告了一种新型的温度传感系统，该系统将MZI与FPI协同集成，实现了在不同实际应用中灵敏度和测量范围之间的可定制平衡。

另一方面，主流的光纤温度测量技术在中小型干燥室内进行高精度、多点监测方面也存在局限性。基于拉曼的分布式温度传感（RDTS）允许连续的空间温度剖面测量，但受到低信噪比、慢时间响应和高设备成本的困扰[24]。基于瑞利后向散射的DTS受到应变-温度交叉敏感性的影响，并且在潮湿环境中容易因结构变形而产生测量漂移；因此需要频繁重新校准，难以满足±1°C的精度要求[25]。虽然光纤折叠拉曼方法可以减轻传输衰减误差，但它对光纤部署有严格的对称性要求，并且无法克服拉曼系统固有的高成本和慢时间响应[26]。虽然大多数报道的技术支持沿单根光纤的多点测量，但关于多个独立温度传感器的并行集成的研究仍然有限[27]。

在本文中，我们提出了一种反射式、基于强度调制的多通道光纤温度测量系统。该系统使用1547 nm的分布式反馈（DFB）激光器进行调制：通过优化双锥传感器的腰部长度和锥间距，将光谱峰值定位在激光器工作点的右侧。我们将线性调制范围定义为工作点周围的峰值到谷值区间，以平衡灵敏度和测量范围。为了克服F-P传感器狭窄且周期性依赖温度的强度响应，我们首先使用双锥传感器进行宽范围测量来确定其线性工作温度子范围；这使得在整个测量范围内的任何段都能实现高精度温度测定。这两种传感器类型集成在一个8通道光开关架构中：双锥传感器提供宽范围监测，而F-P传感器捕捉高精度温度拐点。MCU协调通道切换和数据采集，并应用移动平均滤波器来抑制功率波动。实验测试显示，双锥传感器的检测限为±0.5°C，F-P传感器的检测限为±0.02°C。所提出的配置——使用两个宽范围通道和三个高精度通道（每个高精度通道由相应的宽范围通道校准）——满足了中小型电磁干燥室的监测要求，并在工业过程控制、建筑环境监测和食品储存等领域具有应用潜力。

部分摘录

解调系统和原理

图1展示了基于反射强度解调的设计的光纤多通道温度检测系统。该系统包括两个主要子系统：一个光学子系统和一个信号处理子系统。光学子系统使用中心波长为1547.6 nm的DFB激光器作为光源。发射的光信号进入环形器（CIR）的端口1，并通过端口2输出到光开关的输入端。微控制器控制电路

结果与讨论

图6展示了光纤多通道温度检测系统。为了验证双锥传感器随温度升高时的波长漂移模式，我们用SLED宽带光源（1330–1680 nm）替换了图6中的DFB激光器，双锥传感器连接到环形器的端口2，OSA连接到端口3。传感器安装在显微镜载玻片上，并放置在一个精度为

结论

本文提出了一种基于反射强度解调的光纤多通道温度监测系统，介绍了两种探头类型的传感器：一种利用双锥结构的宽范围温度传感器和一种使用陶瓷套管的 high-precision F-P 温度传感器。通过理论分析、仿真和实验，评估了这些传感器的传输特性

CRediT作者贡献声明

Fang Wang：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、方法论、资金筹集。Xinghua Guo：撰写 – 原稿、软件开发、调查、概念化。Yanzhong Yuan：可视化、监督、方法论。Xinyi Zhao：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、概念化。Min Sun：验证、监督。Yufang Liu：资源获取、项目管理、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。