CN100554902C - 适用于反射型保偏光纤温度传感器的温度简易标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于反射型保偏光纤温度传感器的温度简易标定方法，在对反射型保偏光纤温度传感器进行标定前，先在光电探测器与信号检测电路之间串联一数字电压表，在现场环境设置一标准温度计，计算机与数字电压表、标准温度计之间通过采集卡实现信息交互。标定后的反射型保偏光纤温度传感器，得到一个较为普适性的标定后温度非线性五次多项拟合模型，即T₀＝A₀″+A₁″×V₁+A₂″×V₁ ²+A₃″×V₁ ³+A₄″×V₁ ⁴+A₅″×V₁ ⁵。本发明的标定方法不仅保持了原有技术的标定精度，而且将标定工作量减小，只测量某时刻的温度即可将整个传感器进行标定，满足了施工现场复杂状况下长期温度监测对传感器的性能要求。

Description

适用于反射型保偏光纤温度传感器的温度简易标定方法

技术领域

本发明涉及一种光纤温度传感器的温度标定方法，更特别地说，是指一种适用于反射型保偏光纤温度传感器的能在工业现场进行温度简易操作的标定方法。

背景技术

对温度测量设备的关键部件温度传感器的标定是保证设备精度的重要环节。标定结果的精度和算法的稳定性直接影响温度传感器工作产生结果的准确性。因此，做好温度传感器的标定是做好后续工作的前提。

目前反射型保偏光纤温度传感器具有良好的静态精度和动态性能，能够满足设备的技术指标，但该温度传感器在测试设备中当使用环境发生变化，例如，使用过程中光纤的扭曲、光源和光探测器性能的蜕化、连接器损耗的变动或光纤传输率的时间漂移、电缆对信号衰减等会造成静态线性偏差、零点漂移和灵敏度漂移，因此有必要对其进行有效的标定以补偿其新增不确定度。

通用温度传感器的标定方式是由标准温度计(精度较高)提供一系列标准温度加至传感器，根据传感器数字转换电路的输出类型，由标准计量仪表读取对应数值，由此建立起温度传感器在使用环境下的输入输出函数关系。其实现框图由图1所示。

通用标定方式存在以下问题：

1、数据获取繁琐耗时，需测量大量的数据。

2、解算标定参数过程繁琐：解算标定参数需先将大量数据进行数据录入计算机，再对数据曲线进行拟合，处理过程复杂。

3、标定现场不能评估标定质量：由于标定过程和参数解算分开进行，只有在对标定参数进行误差分析过程中才能对标定质量进行评估。

4、标定参数的使用不方便：标定参数用来对设备的实际测量数据进行补偿。由于使用环境的不断改变，标定参数也在不断的改变，需要重新标定。

基于以上原因，需要从根本上对现有的标定手段和标定方式进行改进，找到一种可以在现场进行简易操作的标定方案。

发明内容

本发明的目的是提供了一种适用于反射型保偏光纤温度传感器的、新型的温度简易标定方法，通过只对温度传感头的环境温度点进行测量，采用五次多项式拟合法对现场使用中的反射型保偏光纤温度传感器的温度标定；本发明的简易温度标定方法不仅能保持原有技术的标定精度，而且标定工作量减小，有效地提高了反射型保偏光纤温度传感器的测量精度。

本发明是一种适用于反射型保偏光纤温度传感器的温度简易标定方法，包括有下列温度简易标定步骤：

第一步：在同一时刻下，分别测得被测物体的标准温度T₀、实测温度T₁；

标准温度T₀为标准温度计测量到的被测物体的实际温度；

实测温度T₁为反射型保偏光纤温度传感器测量到的被测物体的温度；

第二步：将第一步得到的标准温度T₀运用温度非线性五次多项拟合模型T＝A₀+A₁×V+A₂×V²+A₃×V³+A₄×V⁴+A₅×V⁵拟合出在标准温度T₀条件下的光电探测器输出的第一电压值V₀；

将第一步得到的实测温度T₁运用温度非线性五次多项拟合模型T＝A₀+A₁×V+A₂×V²+A₃×V³+A₄×V⁴+A₅×V⁵拟合出在实测温度T₁条件下的光电探测器输出的第二电压值V₁；

第三步：对第二步获得的第二电压值V₁、第一电压值V₀进行系数比较，得到标定系数k，且V₁＝kV₀；

第四步：依据第三步得到的标定系数k解析获得标定后的非线性5次多项式的系数A″_i＝A_i/kⁱ，且i＝0，1，2，3，4，5；i表示五次多项拟合式的项数，A″_i表示温度标定后的模型系数，A_i表示温度标定前的模型系数，kⁱ表示第i项的调整参数。

所述的适用于反射型保偏光纤温度传感器的温度简易标定方法，对经第四步标定后的反射型保偏光纤温度传感器，应用到现场环境条件下时，对敏感到的现场实测温度同样依据标定后的温度非线性五次多项拟合模型 $T_0=A_0^{\′\′}+A_1^{\′\′}\×V_1+A_2^{\′\′}{\×V}_1^2+A_3^{\′\′}\×V_1^3+A_4^{\′\′}\×V_1^4+A_5^{\′\′}\×V_1^5$ 进行温度解算后输出。

所述的适用于反射型保偏光纤温度传感器的温度简易标定方法，该标定过程可在现场实时实现。

所述的适用于反射型保偏光纤温度传感器的温度简易标定方法，对反射型保偏光纤温度传感器进行标定时，在光电探测器与信号检测电路之间串联有一数字电压表，在现场环境设置一标准温度计，计算机与数字电压表、标准温度计之间通过采集卡实现信息交互。

本发明反射型保偏光纤温度传感器的温度简易标定方法的优点是：

1、克服了现有的标定方法在操作简便性方面的不足，该标定方法不仅保持了原有技术的标定精度，而且将标定工作量减小，只测量某时刻的温度即可将整个传感器进行标定，满足了施工现场复杂状况下长期温度监测对传感器的性能要求。

2、通过性能考核试验及现场实际应用表明，经本发明温度简易标定后的光纤温度传感器的测试精度可达到±0.5℃的范围内，具有优良的稳定性。

附图说明

图1是通用标定平台功能框图。

图2是本发明对反射型保偏光纤温度传感器的温度简易标定结构框图。

图3是在环境温度T从35℃～75℃变化时，光电探测器输出的第一电压V₀随温度T的变化。

图4是当改变环境条件使探测器输出光强改变时，光电探测器输出的第二电压V₁随环境温度T的变化。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图2所示，反射型保偏光纤温度传感器的宽谱光源的尾纤与光电探测器的尾纤分别与光纤耦合器的两根入纤熔接；光纤耦合器的一根尾纤与起偏器的入纤熔接，起偏器的尾纤与保偏光纤的一段连接，保偏光纤的另一端与温度传感头熔接，光电探测器与信号检测电路连接，信号检测电路对反射光电流信号进行解算处理得到温度信号输出值。为了实现现场温度简易的标定，本发明在光电探测器与信号检测电路之间串联一数字电压表，在现场环境设置一标准温度计，计算机(实现对采集到的数据信息进行显示，一般的PC机即可)与数字电压表、标准温度计之间通过采集卡实现信息交互。所述数字电压表用于采集经反射型保偏光纤温度传感器处理后输出的光电流信号，并对光电流信号进行处理输出电压值给计算机进行现场温度简易标定；所述标准温度计用于采集温度传感头感应的实际温度，并经采集卡后输出数字量的温度信息给计算机进行现场温度简易标定；计算机(市购笔记本电脑，其最低配置为P41.7G)中的温度非线性五次多项拟合模型

(T＝A₀+A₁×V+A₂×V²+A₃×V³+A₄×V⁴+A₅×V⁵)对接收的数字量的温度信息与电压值进行基于五次多项式拟合获得反射型保偏光纤温度传感器的温度标定系数，然后将温度标定系数、五次多项拟合式存储于反射型保偏光纤温度传感器中。当将反射型保偏光纤温度传感器应用到现场环境时，依据温度标定系数、五次多项拟合式进行现场温度标定，从而改善了传感器在现场环境下进行温度标定时带来的复杂、以及输出精度不高的缺陷。标准温度计选用带铂电阻的XMT-5智能数字显示控制仪表来完成，具有较高的测温精度和较大的测温范围，显示分辨率为0.1℃。数字电压表选用agilent公司生产的34970A电压表。数字电压表通过GPIB卡连接至计算机，标准温度计通过串口与计算机连接，电压与温度信号用LabVIEW采集程序同步记录。

在本发明中，标定后的温度非线性五次多项拟合模型为 $T_0=A_0^{\′\′}+A_1^{\′\′}\×V_1+A_2^{\′\′}\×V_1^2+A_3^{\′\′}\×V_1^3+A_4^{\′\′}\×V_1^4+A_5^{\′\′}\×V_1^5$ ，其中标定后的非线性5次多项式的系数A″_i＝A_i/kⁱ，且i＝0，1，2，3，4，5；

式中，i表示五次多项拟合式的项数，

A″_i表示温度标定后的模型系数，

A_i表示温度标定前的模型系数，

kⁱ表示第i项的调整参数，

A″₀表示五次多项拟合式的第0项数，

A″₁×V₁表示五次多项拟合式的第1项数，

A″₂×V₁ ²表示五次多项拟合式的第2项数，

A″₃×V₁ ³表示五次多项拟合式的第3项数，

A″₄×V₁ ⁴表示五次多项拟合式的第4项数，

A″₅×V₁ ⁵表示五次多项拟合式的第5项数。

在本发明中，初始条件下的温度非线性五次多项拟合模型为T＝A₀+A₁×V+A₂×V²+A₃×V³+A₄×V⁴+A₅×V⁵。

本发明对反射型保偏光纤温度传感器的温度简易标定包括有下列步骤：

第一步：在同一时刻下，分别测得被测物体的标准温度T₀、实测温度T₁；

标准温度T₀为标准温度计测量到的被测物体的实际温度；

实测温度T₁为反射型保偏光纤温度传感器测量到的被测物体的温度；

第二步：将第一步得到的标准温度T₀、实测温度T₁运用温度非线性五次多项拟合式T＝A₀+A₁×V+A₂×V²+A₃×V³+A₄×V⁴+A₅×V⁵分别拟合出在标准温度T₀条件下的光电探测器输出的第一电压值V₀、实测温度T₁条件下的光电探测器输出的第二电压值V₁；

第三步：对第二步获得的第二电压值V₁、第一电压值V₀进行系数比较，得到拟合系数的标定参数k，且V₁＝kV₀；

第四步：依据第三步得到的标定参数k解析获得标定后的非线性5次多项式的系数A″_i＝A_i/kⁱ，且i＝0，1，2，3，4，5；

第五步：对经第四步标定后的反射型保偏光纤温度传感器，对敏感到的温度依据标定后的温度非线性五次多项拟合模型 $T_0=A_0^{\′\′}+A_1^{\′\′}\×V_1+A_2^{\′\′}\×V_1^2+A_3^{\′\′}\×V_1^3+A_4^{\′\′}\×V_1^4+A_5^{\′\′}\×V_1^5$ 进行温度解算后输出。

本发明提供了一种基于五次多项式拟合为基础的现场温度简易标定方法，可以在只测量一点温度的情况下，对工业应用现场的温度传感器的输出进行标定。

本发明中采用宽带光源，可以得到光电探测器输出的光电压为：

V＝K·γ(δ)·[1+cos(δ)]    (1)

式(1)中，K为入射到光电探测器上的光强电信号的常系数，γ(δ)为宽谱光源的相干度函数，δ为相位差。式(1)是基于琼斯矩阵理论和偏振非互异性效应，可得出光纤干涉仪输出的光电压与相位差的关系。

相位差δ是由温度变化引起的，则相位差δ为：

δ＝L·(β_x-β_y)＝L·Δβ    (2)

式(2)中，L为保偏光纤的长度，β_x为光在X方向上的传输常数，β_y为光在Y方向上的传输常数，Δβ为传输常数β_x和β_y的差。

在保偏光纤中Δβ＝β_x-β_y在温度-200℃～400℃的范围内与被测量物体温度成线性比例关系，其第一系数C₁的数量级为10^-3，符号为负。传感光纤长度L也与温度成线性关系，其第二系数C₂的数量级为10^-6。设被测物体温度为T_w，传感光纤在温度T_c时的长度为L_c，则Δβ的初始值为Δβ_c，由式可得相位差为：

δ＝Δβ·L

＝Δβ_c·[1+C₁(T_w-T_c)]·L_c·[1+C₂(T_w-T_c)]

＝Δβ_c·L_c·[1+C₁(T_w-T_c)+C₂(T_w-T_c)+C₁C₂(T_w-T_c)²]    (3)

若忽略式(3)中的高阶小量C₂(T_w-T_c)和C₁C₂(T_w-T_c)²，则

δ＝Δβ_c·L_c·[1+C₁(T_w-T_c)]＝B+AT_w   (4)

其中B＝Δβ_c·L_c(1-C₁T_c)，A＝Δβ_c·L_cC₁。上式说明相位差δ与温度T成线性关系。因此，可以通过检测相位差δ的变化来获得温度变化量。

假定γ(δ)在测量范围内是线性的，将式V＝γ(δ)·K·[1+cos(δ)]模型化，则映射到光电探测器的光电压与温度的变化关系为：

V＝(a₁·T+a₂)·cos(a₃·T+a₄)+a₅    (5)

a₁、a₂、a₃、a₄、a₅分别为模型系数，通过温度标定得到，T为被测的环境温度值。该模型系数a₁、a₂、a₃、a₄、a₅是基于线性化模型理论，因γ(δ)和δ随温度成线性变化，故将V＝K·γ(δ)·[1+cos(δ)]线性化，可得出光电探测器输出的光电压与温度的关系V＝(a₁·T+a₂)·cos(a₃·T+a₄)+a₅。

在实际测量中，由于模型系数a₁很小，可以忽略，因此实际的传感方程为：

$T=(\arccos \left(\frac{V-a_5}{a_2}\right)-a_4)/a_3---\left(6\right)$

将温度模型(6)中的余弦函数进行泰勒展开，得到它的五次多项式的表达形式：

T＝A₀+A₁×V+A₂×V²+A₃×V³+A₄×V⁴+A₅×V⁵    (7)

温度与光电探测器接受的光强直接相关，也可以说是与光电探测器的输出电压直接相关。在标准条件下对反射型保偏光纤温度传感器进行标定，拟合出一组参数{A₀，A₁，A₂，A₃，A₄，A₅}。该组参数{A₀，A₁，A₂，A₃，A₄，A₅}是基于泰勒定理和五次多项式拟合理论，对光电探测器输出的光电压和温度传感头敏感到的温度进行五次多项式拟合得到。

当温度为T₀时，光信号采集电路输出的电压为V₀，由式(7)可知：

$T_0=A_0+A_1\×V_0+A_2\×V_0^2+A_3\×V_0^3+A_4\×V_0^4+A_5\×V_0^5---\left(8\right)$

当温度传感器使用的环境发生变化时，同样的温度T₀下，到达传感器的光功率大小会发生变化，光电探测器输出的电压值将随之发生变化。此时，若传感器测得的温度为T₁，而实际温度为(标准温度计输出值为)T₀，根据微处理器中的温度解算公式得出光电探测器的输出电压为V₁，即：

$T_1=A_0+A_1\×V_1+A_2{\×V}_1^2+A_3\×V_1^3+A_4\×V_1^4+A_5\×V_1^5---\left(9\right)$

此时，将测得的第二电压V₁除以第一电压V₀得到标定系数k，可以计算出温度标定后的模型系数A″_i，标定后的温度非线性五次多项拟合式为：

$T_0=A_0^{\′\′}+A_1^{\′\′}\×V_1+A_2^{\′\′}\×V_1^2+A_3^{\′\′}\×V_1^3+A_4^{\′\′}\×V_1^4+A_5^{\′\′}\×V_1^5---\left(10\right)$

其中标定后的非线性五次多项式的系数A″_i＝A_i/kⁱ。因此只要得到标定系数k值，将k值嵌入温度传感器中的信号检测电路的微处理器系统中，系统通过解算可以直接得到新的拟合公式，并根据此公式得到实际温度。

实施例1：

根据图2所示进行各器件的连接，信号检测电路中的微处理器选用C8051F060芯片，光电探测器选用PFTM911型InGaAs平面结构PIN-FET探测器，标准温度计选用带铂电阻的XMT-5智能数字显示控制仪表，数字电压表选用用agilent公司生产的34970A电压表，采集卡选用NI公司的GPIB卡，计算机选用P4 1.6G的处理器。

将温度传感器的传感头和标准温度计的传感头用绝缘胶布固定在一起，放在陶瓷封闭式恒温电炉对烧杯进行加热。温度从常温升至75℃，而后降温，并对实验数据进行实时采集。将采集到的温度T₀和电压值V₀绘成T-V曲线，利用Origin软件进行五次多项式拟合。参见图3所示。改变传感器光纤传输过程中的损耗，使得探测器接收的光强具有除温度变化以外的非实时变化，将采集到的温度T₁和电压值V₁绘制成T-V曲线，参见图4所示。表1列出了标定前后的拟合系数。

根据公式V₁＝kV₀解出拟合系数标定参数k，并对其商值进行y＝ab^x的拟合，如图5所示，自变量为{0，1，2，3，4，5}，拟合系数a＝1.04829，b＝5.26764，从而得出k值为5.26784。由公式A″_i＝A_i/kⁱ即可得出新的拟合系数A″₀、A″₁、A″₂、A″₃、A″₄、A″₅，参见表1所示。根据温度解算公式 $T_0=A_0^{\′\′}+A_1^{\′\′}\×V_1+A_2^{\′\′}\×V_1^2+A_3^{\′\′}\×V_1^3+A_4^{\′\′}\×V_1^4+A_5^{\′\′}\×V_1^5$ 即可得出实际的温度值。

表1两组拟合多项式系数

本发明运用的五次多项式拟合，在理论上是ACOS函数的泰勒展开，其在运算速度上比ACOS拟合具有优势。通过参数调整试验发现，使用五次拟合已经能够很好的反映系统的实际输入输出了，前面提到的实验数据分析就是在五次拟合公式的拟合下测量得到的，从上面的分析我们可以看出，五次拟合的误差也基本满足了实验要求。A₀对系统输出只是起到数据平移的作用。

本发明中引用符号的物理意义说明如下：

T<sub>0</sub>	表示在某一采集时刻下标准温度计敏感到的被测物体的温度，简称标准温度。
		T<sub>1</sub>	表示在某一采集时刻下温度传感头敏感到的温度，简称实测温度。
V<sub>0</sub>	表示在标准温度T<sub>0</sub>条件下光电探测器输出的光电压，简称第一电压。
		V<sub>1</sub>	表示在实测温度T<sub>1</sub>条件下光电探测器输出的光电压，简称第二电压。
T	表示反射型保偏光纤温度传感器输出温度。
		V	表示光电探测器输出的光电压。
K	表示光纤传感头沿原光路返回的光入射到光电探测器上的光强电信号的常系数。
		γ(δ)	表示宽谱光源的相干度函数。
δ	表示保偏光纤温度传感头中传输的两个偏振模式的相位差，简称相位差。
		L	表示光纤传感头所用保偏光纤的长度。
β<sub>x</sub>	表示光纤传感头所用保偏光纤中的传输光在X方向上的传输常数。
		β<sub>y</sub>	表示光纤传感头所用保偏光纤中的传输光在Y方向上的传输常数。
Δβ	表示传输常数β<sub>x</sub>和β<sub>y</sub>的差。
		T<sub>w</sub>	表示被测物体的温度。
T<sub>c</sub>	表示被测物体在初始时刻的温度。
		L<sub>c</sub>	表示传感光纤在温度为T<sub>c</sub>时的长度。
Δβ<sub>c</sub>	表示温度为T<sub>c</sub>时的Δβ。

Claims (3)

1、一种适用于反射型保偏光纤温度传感器的温度简易标定方法，其特征在于：对反射型保偏光纤温度传感器进行标定时，在光电探测器与信号检测电路之间串联有一数字电压表，在现场环境设置一标准温度计，计算机与数字电压表、标准温度计之间通过采集卡实现信息交互；该标定方法包括有下列温度简易标定步骤：

第一步：在同一时刻下，分别测得被测物体的标准温度T₀、实测温度T₁；

标准温度T₀为标准温度计测量到的被测物体的实际温度；

实测温度T₁为反射型保偏光纤温度传感器测量到的被测物体的温度；

第二步：将第一步得到的标准温度T₀运用温度非线性五次多项拟合模型T＝A₀+A₁×V+A₂×V²+A₃×V³+A₄×V⁴+A₅×V⁵拟合出在标准温度T₀条件下的光电探测器输出的第一电压值V₀；

将第一步得到的实测温度T₁运用温度非线性五次多项拟合模型T＝A₀+A₁×V+A₂×V²+A₃×V³+A₄×V⁴+A₅×V⁵拟合出在实测温度T₁条件下的光电探测器输出的第二电压值V₁；

第三步：对第二步获得的第二电压值V₁、第一电压值V₀进行系数比较，得到标定系数k，且V₁＝kV₀；

第四步：依据第三步得到的标定系数k解析获得标定后的非线性5次多项式的系数A″_i＝A_i/kⁱ，且i＝0，1，2，3，4，5；i表示五次多项拟合式的项数，A″_i表示温度标定后的模型系数，A_i表示温度标定前的模型系数，kⁱ表示第i项的调整参数。

2、根据权利要求1所述的适用于反射型保偏光纤温度传感器的温度简易标定方法，其特征在于：对经第四步标定后的反射型保偏光纤温度传感器，应用到现场环境条件下时，对敏感到的现场实测温度同样依据标定后的温度非线性五次多项拟合模型T₀＝A₀″+A₁″×V₁+A₂″×V₁ ²+A₃″×V₁ ³+A₄″×V₁ ⁴+A₅″×V₁ ⁵进行温度解算后输出。

3、根据权利要求1所述的适用于反射型保偏光纤温度传感器的温度简易标定方法，其特征在于：该标定方法可在现场实时实现。

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