CN102927925A - 基于自适应加权融合算法的倾斜光纤光栅应变测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于自适应加权融合算法的倾斜光纤光栅应变测量方法，以倾斜光纤光栅多个模式作为应变传感器来测量应变，而倾斜光纤光栅各个模式的应变传感特性是不一样的，将多个模式作为多个应变传感器来测量应变，对于得到的多个应变测量值，采用自适应加权融合算法对多个测量值进行融合，从而得到一个更接近真实值的应变融合值。本发明的优点是：测量系统简单，降低了系统的复杂性与成本，同时采用自适应加权融合算法对多个应变值进行处理，得到的应变值较平均值估计等其他算法更接近真实值，融合后的最小均方误差比任何一个应变传感器的方差都小，有效提高了数据测量精度。

Description

基于自适应加权融合算法的倾斜光纤光栅应变测量方法

技术领域

本发明涉及光纤通信和信号处理技术领域，特别是一种基于自适应加权融合算法的倾斜光纤光栅应变测量方法。

背景技术

与传统的测量方法（如电阻应变片）相比，该应变测量方法采用倾斜光纤光栅作为传感元件，既抗电磁干扰，又与光纤系统兼容，便于进行多点、分布测量。倾斜光纤光栅是光纤光栅的一个分支，在写制时干涉条纹不与光纤方向垂直，而是倾斜了一定的角度，因此前向传导的入射光除一部分耦合为纤芯模外，部分还将耦合到包层中，形成后向包层模，基于这一不同点，倾斜光纤光栅呈现了许多不同于一般光纤光栅的优良特性。

对于应变测量，以前获取测量数据的方法一般是采用单个传感器，然而实际测量是存在噪声的，因此需要从含有噪声的测量数据中估计一个非随机量。评价一个估计算法的好坏一般都以均方误差做为评价指标。减小估计后均方误差的唯一方法就是增加测量数据，而测量数据的增加则使运算量加，降低实时性。为了解决这一问题，通常将多传感器数据融合技术应用于估计算法的研究中。

多传感器数据融合是一项近几年发展起来的新技术，其主要特点就是用多个传感器对同一个测量对象进行测量，从而得到该对象的多源信息，并将这些信息进行融合，形成比单一传感器更准确的估计值。另外，当测量过程中，某个甚至数个传感器失效时，其他非失效传感器能不受影响独立提供信息，系统可以依据非失效传感器提供的信息获知准确的测量值。然而许多数据融合方法要求测量数据服从高斯分布，并且还要已知相应的概率密度函数，因而实际应用起来很困难。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种基于自适应加权融合算法的倾斜光纤光栅应变测量方法，用以解决现有技术中存在的光纤光栅传感器受噪声影响而导致测量结果不准确的问题。

一种基于自适应加权融合算法的倾斜光纤光栅应变测量方法，其应变测量系统包括宽带光源、倾斜光纤光栅应变传感部分、光谱仪、数据采集部分、数据融合部分和输出显示部分，倾斜光纤光栅应变传感部分由倾斜光纤光栅和等强度标准梁组成，等强度标准梁的一端固定，另一端作为自由端悬空，将倾斜光纤光栅粘贴在等强度标准梁上表面的中轴线上，测量方法步骤如下：

1）用光谱仪测量等强度标准梁的自由端悬挂不同重量砝码时的透射谱，记录不同应变对应的波长漂移；

2）数据采集部分将不同砝码重量转换成对应的应变值，将倾斜光纤光栅多个模式作为多个应变传感器，对每一个应变传感器测得的应变值进行数据拟合，得到多个传感器不同的特性表达式；

3）数据融合部分首先计算各个传感器的方差，

利用公式

式中：p=1,2,…n，计算各个传感器的加权因子，

然后根据公式式中：p=1,2,…n，计算测量应变的融合值，

最后根据公式

式中：p=1,2,…n，计算最小均方误差；

4）在输出显示部分显示应变融合值。

本发明的优点和有益效果：

该应变测量方法的测量系统，用一根倾斜光纤光栅的多个模式作为多个传感器，减少了实际传感器的数量，节省了成本，降低了系统的复杂性；采用自适应加权融合算法，得到的应变融合值较平均值估计等其他算法更接近真实值，融合后的总均方误差比任何一个应变传感器的方差都小，有效提高了数据测量精度；融合算法简单可行，迭代次数较少，对计算和硬件要求不高，融合效果较好。

附图说明

图1为该应变测量系统示意图。

图中：1.倾斜光纤光栅 2.等强度标准梁 3.等强度标准梁的自由端

图2为倾斜光纤光栅不受应力时的透射谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明，但是本发明不限于所给出的例子。

实施例：

一种基于自适应加权融合算法的倾斜光纤光栅应变测量方法，如图1所示，其应变测量系统包括宽带光源、倾斜光纤光栅应变传感部分、光谱仪、数据采集部分、数据融合部分和输出显示部分，倾斜光纤光栅应变传感部分由倾斜光纤光栅1、等强度标准梁2组成，等强度标准梁2的一端固定，另一端作为自由端3悬空，将倾斜光纤光栅1粘贴在等强度标准梁2上表面的中轴线上。该实施例中，等强度标准梁2采用65Mn弹簧钢，梁长为600mm、梁固定端宽度为72mm、厚度为5.5mm，杨氏模量E的取值范围为（1.8-2.0）×10⁵MPa，光源采用宽带光源，光谱仪用于记录倾斜光纤光栅的透射谱。

倾斜光纤光栅测量应变的原理：图2为倾斜光纤光栅在不受应力时的透射谱，横坐标为波长，纵坐标为透射功率。当倾斜光纤光栅受应力作用时，其透射谱会发生改变。根据不同应力作用下透射谱中波长的变化，建立应变与波长的对应关系，在此基础上，根据测量的波长的数值，就可推得应变的数值。

基于自适应加权融合算法的倾斜光纤光栅应变测量方法，步骤如下：

1）用光谱仪测量等强度标准梁的自由端悬挂不同重量砝码时的透射谱，记录不同应变对应的波长漂移，所述砝码重量分别为1kg、2kg、3kg、4kg、5kg、6kg，以产生不同的应变。

2）数据采集部分将上述不同砝码重量转换成对应的应变值，将倾斜光纤光栅多个模式作为多个应变传感器，对每一个应变传感器测得的应变值进行数据拟合，得到多个传感器不同的特性表达式。任选倾斜光纤光栅中的八个模式，用光谱仪记录倾斜光纤光栅的透射谱，对不同应变下这八个模式的波长进行数据拟合处理，得到应变—波长关系，如公式（1）-（8）所示：

λ₁＝6.350×10^-4ε_z+1539.153                        （1）

λ₂＝6.096×10^-4ε_z+1540.688                        （2）

λ₃＝5.969×10^-4ε_z+1542.159                        （3）

λ₄＝6.159×10^-4ε_z+1543.583                        （4）

λ₅＝6.350×10^-4ε_z+1544.953                        （5）

λ₆＝6.159×10^-4ε_z+1546.283                        （6）

λ₇＝6.667×10^-4ε_z+1547.000                        （7）

λ₈＝6.350×10^-4ε_z+1565.393                        （8）

由以上公式可知，八个模式的的应变—波长曲线均具有很好的线性特性，各个模式拟合曲线斜率是不同的，故可以认为当倾斜光纤光栅的栅区受到应力作用时，各个模式的谐振峰的漂移量是不同的，也就是说倾斜光纤光栅的各个模式具有不同的应变特性。在测量应变的过程中，选择倾斜光纤光栅的不同模式作为应变传感器将会有不同的应变测量值。为了得到应变的准确信息，将倾斜光纤光栅的各个模式分别看成一个应变传感器，采用自适应加权融合算法处理数据，从而获得应变的准确信息。

实验中对某一应变进行测量，选取了倾斜光纤光栅的八个模式作为八个应变传感器，连续测量了五次，测量数据如表1所示，其应变真实值为494.945με。

表1（应变值单位：με）

3）由测量数据得各个传感器的方差，如表2所示。

表2

利用公式计算各个传感器的自适应加权因子，如表3所示。

表3

利用公式

计算应变融合值为495.819με，较平均值法 ${\stackrel{\‾}{X}}_8=\frac{1}{8}\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i=496.756\mathrm{\μ\ϵ},$ 更接近真实值。

利用公式

计算最小均方误差为0.1195，该误差比任何一个应变传感器的方差都小。

4)在输出显示部分显示应变融合值。

实验证明，这种应变测量方法有效提高了数据测量精度，在实际测量系统中具有很好的实用价值。

Claims (1)

1.一种基于自适应加权融合算法的倾斜光纤光栅应变测量方法，其应变测量系统包括宽带光源、倾斜光纤光栅应变传感部分、光谱仪、数据采集部分、数据融合部分和输出显示部分，其特征在于：倾斜光纤光栅应变传感部分由倾斜光纤光栅和等强度标准梁组成，等强度标准梁的一端固定，另一端作为自由端悬空，将倾斜光纤光栅粘贴在等强度标准梁上表面的中轴线上，测量方法步骤如下：

1）用光谱仪测量等强度标准梁的自由端悬挂不同重量砝码时的透射谱，记录不同应变对应的波长漂移；

2）数据采集部分将不同砝码重量转换成对应的应变值，将倾斜光纤光栅多个模式作为多个应变传感器，对每一个应变传感器测得的应变值进行数据拟合，得到多个传感器不同的特性表达式；

3）数据融合部分首先计算各个传感器的方差，

利用公式

式中：p=1,2,…n，计算各个传感器的加权因子，

然后根据公式式中：p=1,2,…n，计算测量应变的融合值，

最后根据公式

式中：p=1,2,…n，计算最小均方误差；

4）在输出显示部分显示应变融合值。

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