CN104198085B - 一种光纤温度传感器的温度解调的数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤温度传感器的温度解调的数据处理方法，包括步骤：获取光源光谱净值；获取光纤温度传感器反射光的光谱净值；根据获取的光源光谱净值及光纤温度传感器反射光的光谱净值，计算出光纤温度传感器反射光的光谱反射率；对计算出的光纤温度传感器反射光的光谱反射率进行归一化处理；根据计算出的光纤温度传感器反射光的光谱反射率的归一化值中的特定归一化值，计算出与该特定归一化值对应的特定波长值；根据计算出的特定波长值，查找温度波长校对表，获取与该特定波长值对应的温度值。本发明基于波长的光谱温度解调方法而直接建立波长与温度的关系，避免受到光源强度等因素影响，因此测量准确、运算量小、精度高、稳定性好。

Description

一种光纤温度传感器的温度解调的数据处理方法

技术领域

本发明涉及一种光纤温度传感器的温度解调的数据处理方法。

背景技术

温度作为一个重要的物理参量在工程应用和科学研究中占有十分重要的地位，以热电偶、铂合金和半导体等为代表的传统温度传感器，以其原理简单，测量精度高，成本低等优点而广泛应用在国民经济、国防建设等各个领域。然而，光纤温度传感与传统的温度传感相比具有很多优点：光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器件接收，可方便地进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配，光纤工作频率宽，动态范围大，是一种低损耗传输线，光纤本身不带电，体积小质量轻，易弯曲，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用，比如在电力系统的开关、变压器等内部“热点”的在线监测，微波加热、微波化学辅助仪器、微波食品加工等过程中被加热物质温度的在线测量，射频、微波热疗仪、磁共振成像仪等医疗设备的在线安全监控，以及大电机定子、轴瓦等关键部位温度的监测等广泛应用。

现有技术中利用光电探测器来直接建立光强与温度的算法关系可以得到测量温度，但光强度值容易受到光源强度变化、光纤曲折、挤压、含杂质、不均匀、光纤对接等多因素影响，因此会造成温度测量不准确、稳定性差。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种光纤温度传感器的温度解调的数据处理方法，包括步骤：获取光源光谱净值；获取光纤温度传感器反射光的光谱净值；根据获取的光源光谱净值及光纤温度传感器反射光的光谱净值，计算出光纤温度传感器反射光的光谱反射率；对计算出的光纤温度传感器反射光的光谱反射率进行归一化处理；根据计算出的光纤温度传感器反射光的光谱反射率的归一化值中的特定归一化值，计算出与该特定归一化值对应的特定波长值；根据计算出的特定波长值，查找温度波长校对表，获取与该特定波长值对应的温度值。

进一步地，所述获取光源光谱净值的具体方法包括：获取光源噪声光谱值；获取光源光谱值；其中，利用下面的式子1计算出光源光谱净值，

[式子1] I_S-I_N1＝S(λ_n，T₁)-N₁(λ_n，T₁)

其中，I_S表示光源光谱值，I_N1表示光源噪声光谱值，N₁(λ_n,T₁)和S(λ_n,T₁)分别表示与波长和温度相对应的函数，T₁表示光谱分析仪所在的环境温度，λ_n表示波长值，n为正整数。

进一步地，所述获取光纤温度传感器反射光的光谱净值的方法包括：获取光纤温度传感器的噪声光谱值；获取光纤温度传感器反射光的光谱值；其中，利用下面的式子2计算出光纤温度传感器反射光的光谱净值，

[式子2] I_R-I_N2＝R(λ_n，T₂)-N₂(λ_n，T₂)

其中，I_R表示光纤温度传感器反射光的光谱值，I_N2表示光纤温度传感器的噪声光谱值，R(λ_n,T₂)和N₂(λ_n,T₂)分别表示与波长和温度相对应的函数，T₂表示光纤温度传感器所在的环境温度，λ_n表示波长值，n为正整数。

进一步地，利用下面的式子3计算出光纤温度传感器反射光的光谱反射率，

其中，I_S表示光源光谱值，I_N1表示光源噪声光谱值，N₁(λ_n,T₁)和S(λ_n,T₁)分别表示与波长和温度相对应的函数，T₁表示光谱分析仪所在的环境温度，I_R表示光纤温度传感器反射光的光谱值，I_N2表示光纤温度传感器的噪声光谱值，R(λ_n,T₂)和N₂(λ_n,T₂)分别表示与波长和温度相对应的函数，T₂表示光纤温度传感器所在的环境温度，λ_n表示波长值，n为正整数。

进一步地，利用下面的式子4对计算出的光纤温度传感器反射光的光谱反射率进行归一化处理，

其中，R_n表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率，Z_n表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率的归一化值，R_max表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率的最大值，R_min表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率的最小值，n为正整数。

进一步地，利用下面的式子5对计算出的光纤温度传感器反射光的光谱反射率进行归一化处理，

其中，R_n表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率，Z_n表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率的归一化值，R_max表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率的最大值，n为正整数。

进一步地，利用下面的式子6计算出特定波长值，

[式子6] λ_Q＝P^-1(Z_Q,T₂)

其中，Z_Q表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率的归一化值中的特定归一化值，T₂表示光纤温度传感器所在的环境温度，λ_Q表示特定波长值。

进一步地，光纤温度传感器反射光的光谱反射率的归一化值中的特定归一化值满足下面的式子7，

[式子7] Z_h<Z_Q<Z_k

其中，Z_Q表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率的归一化值中的特定归一化值，Z_h∈(0,0.5),Z_k∈(0.5,1)。

进一步地，利用下面的式子8构建所述温度波长校对表，

其中，λ_Q表示特定波长值，T表示与所述特定波长值对应的温度值，A、B、C、D和E分别为常数。

本发明基于波长的光谱温度解调方法而直接建立波长与温度的关系，避免受到光源强度等因素影响，因此本发明的数据处理方法测量准确、运算量小、精度高、稳定性好。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例的砷化镓光纤温度传感器的温度监测系统；

图2是根据本发明的实施例的砷化镓光纤温度传感器的温度解调的数据处理方法的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

首先说明的是，在本实施例中，光纤温度传感器采用砷化镓光纤温度传感器，但本发明并不局限于此，也可例如是其他合适类型的光纤温度传感器。

以下将对砷化镓光纤温度传感器的原理进行说明。

砷化镓光纤温度传感器基于半导体光吸收原理。光在半导体中传播具有衰减现象，足够能量的光子使电子激发，越过禁带跃迁入空的导带，这种吸收过程为本征吸收，对应波长为本征吸收波长，表达为下面的式子。

E_g＝hν

砷化镓晶体的禁带宽度是直接跃迁型的，并且随温度变化，表达为下面的式子：

$E_g\left(T\right)=E_g\left(0\right)-\frac{{\mathrm{\&alpha;T}}^2}{\mathrm{\&beta;}+T}$

式中：E_g(T)表示温度为T时的禁带宽度，E_g(0)表示温度为0K时的禁带宽度，α和β是经验常数，数值为：E_g(0)＝1.522eV；α＝5.8×10-4eV/K；β＝300K。

常温时砷化镓晶体的本征吸收波长约为875nm，温度升高，本征吸收波长变大，透射率曲线向长波长的方向移动；反之，温度降低，本征吸收波长变小，透射率曲线向短波长方向移动。本发明采用光谱分析仪测量砷化镓光纤温度传感器的反射光谱，再利用数据处理方法解调出反射光谱中波长与温度之间的对应关系，从而实现温度测量。

图1是根据本发明的实施例的砷化镓光纤温度传感器的温度监测系统。

参照图1，根据本发明的实施例的砷化镓光纤温度传感器的温度监测系统包括光源110、砷化镓光纤温度传感器120、光谱分析仪130、温度解调数据处理单元140。

具体而言，光源110发出光线，其发出的光线进入砷化镓光纤温度传感器120后，被砷化镓光纤温度传感器120吸收并反射。被砷化镓光纤温度传感器120反射的光进入光谱分析仪130，光谱分析仪130解调光谱信息后，将解调后的光谱信息传动至温度解调数据处理单元140。温度解调数据处理单元140对解调后的光谱信息进行温度解调数据处理，得到温度值。

图2是根据本发明的实施例的砷化镓光纤温度传感器的温度解调的数据处理方法的流程图。

一并参照图1和图2，在步骤210中，获取光源110的光谱净值。所述获取光源110的光谱净值的具体方法包括：获取光源110的噪声光谱值，其具体为测量光谱分析仪130的暗电流散粒噪声、复位噪声、放大器噪声、光散粒噪声构成的背景噪声；获取光源110光谱值，其具体为利用光谱分析仪130直接测量光源110的光谱值；其中，利用下面的式子1计算出光源光谱净值。

[式子1] I_S-I_N1＝S(λ_n，T₁)-N₁(λ_n，T₁)

其中，I_S表示光源110的光谱值，I_N1表示光源110的噪声光谱值，N₁(λ_n,T₁)和S(λ_n,T₁)分别表示与波长和温度相对应的函数，T₁表示光谱分析仪130所在的环境温度，λ_n表示波长值，n为正整数。

在步骤220中，获取砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱净值。所述获取砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱净值的方法包括：获取砷化镓光纤温度传感器120的噪声光谱值，具体为当光源110不照射光时，测量砷化镓光纤温度传感器120的噪声以及光谱分析仪130的暗电流散粒噪声、复位噪声、放大器噪声、光散粒噪声构成的背景噪声；获取砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱值，具体为利用光谱分析仪130测量砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱值；其中，利用下面的式子2计算出砷化镓光纤温度传感器120发射光的光谱净值。

[式子2] I_R-I_N2＝R(λ_n，T₂)-N₂(λ_n，T₂)

其中，I_R表示砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱值，I_N2表示砷化镓光纤温度传感器120的噪声光谱值，R(λ_n,T₂)和N₂(λ_n,T₂)分别表示与波长和温度相对应的函数，T₂表示砷化镓光纤温度传感器120所在的环境温度，λ_n表示波长值，n为正整数。

在步骤230中，根据获取的光源110的光谱净值及砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱净值，计算出砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱反射率。

在本实施例中，可利用下面的式子3计算出砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱反射率。

其中，I_S表示光源110光谱值，I_N1表示光源110的噪声光谱值，N₁(λ_n,T₁)和S(λ_n,T₁)分别表示与波长和温度相对应的函数，T₁表示光谱分析仪130所在的环境温度，I_R表示砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱值，I_N2表示砷化镓光纤温度传感器120的噪声光谱值，R(λ_n,T₂)和N₂(λ_n,T₂)分别表示与波长和温度相对应的函数，T₂表示砷化镓光纤温度传感器120所在的环境温度，λ_n表示波长值，n为正整数。

在步骤240中，对计算出的砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱反射率进行归一化处理。

在本实施例中，可利用下面的式子4对计算出的砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱反射率进行归一化处理。

其中，R_n表示砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱反射率，Z_n表示砷化镓光纤温度传感器120的光谱反射率的归一化值，R_max表示砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱反射率的最大值，R_min表示砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱反射率的最小值，n为正整数。

此外，在本实施例中，也可利用下面的式子5对计算出的砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱反射率进行归一化处理。

其中，R_n表示砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱反射率，Z_n表示砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱反射率的归一化值，R_max表示砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱反射率的最大值，n为正整数。

在步骤250中，根据计算出的砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱反射率的归一化值中的特定归一化值，计算出与该特定归一化值对应的特定波长值。

在本实施例中，可建立砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱反射率的归一化值Z_n、波长值λ_n、砷化镓光纤温度传感器120所在的环境温度T₂三者之间的函数关系，其中，设三者之间的函数关系式为Z_n＝P(λ_n,T₂)。

在本实施例中，可利用下面的式子6计算出特定波长值。

[式子6] λ_Q＝P^-1(Z_Q,T₂)

其中，Z_Q表示砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱反射率的归一化值中的特定归一化值，T₂表示砷化镓光纤温度传感器120所在的环境温度，λ_Q表示与该特定归一化值对应的特定波长值，Z_Q为0至1之间的任意值。

此外，砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱反射率的归一化值中的特定归一化值应当满足下面的式子7。

[式子7] Z_h<Z_Q<Z_k

其中，Z_Q表示砷化镓光纤温度传感器120反射光的光谱反射率的归一化值中的特定归一化值，Z_h∈(0,0.5),Z_k∈(0.5,1)。

在步骤260中，根据计算出的特定波长值，查找温度波长校对表，获取该特定波长值对应的温度值。下面的表1示出了温度值与其对应的特定波长值的校对表。应当理解的是，表1中仅示出了三组温度值与其对应的特定波长值，本发明并不局限于此，例如，可利用上面的式子(6)和式子(7)确定若干特定波长值，将确定的若干特定波长值之一代入下面的式子8，可计算出与该若干特定波长值之一对应的温度值，而后构建为若干特定波长值及对应的若干温度值的温度波长校对表。此外，在表1中，预设温度值仅作为根据特定波长值获取的温度值的对比。

[表1]

预设温度值/℃	温度值/℃	特定波长值/nm
			50	49.8204654	900.42049
100	99.9332136	917.22913
			200	199.903564	954.0544

在本实施例中，可利用下面的式子8构建温度波长校对表。

其中，λ_Q表示特定波长值，T表示与该特定波长值对应的温度值，A、B、C、D和E分别为常数，且A、B、C、D和E与砷化镓光纤温度传感器120中砷化镓晶体的厚度、透射膜的透射率、反射膜的反射率等因素相关。换句话说，当本发明所采用的光纤温度传感器的种类确定时，A、B、C、D和E即确定。

综上所述，根据本发明的实施例，描述了基于波长的光谱温度解调方法，从而直接建立波长与温度的关系，避免受到光源强度等因素影响，因此根据本发明的实施例的方法测量准确、运算量小、精度高、稳定性好。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (9)

1.一种光纤温度传感器的温度解调的数据处理方法，其特征在于，包括步骤：

获取光源光谱净值；

获取光纤温度传感器反射光的光谱净值；

根据获取的光源光谱净值及光纤温度传感器反射光的光谱净值，计算出光纤温度传感器反射光的光谱反射率；

对计算出的光纤温度传感器反射光的光谱反射率进行归一化处理；

根据计算出的光纤温度传感器反射光的光谱反射率的归一化值中的特定归一化值，计算出与该特定归一化值对应的特定波长值；

根据计算出的特定波长值，查找温度波长校对表，获取与该特定波长值对应的温度值。

2.根据权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，所述获取光源光谱净值的具体方法包括：

获取光源噪声光谱值；

获取光源光谱值；

其中，利用下面的式子1计算出光源光谱净值，

[式子1]I_S-I_N1＝S(λ_n，T₁)-N₁(λ_n，T₁)

其中，I_S表示光源光谱值，I_N1表示光源的噪声光谱值，N₁(λ_n,T₁)和S(λ_n,T₁)分别表示与波长和温度相对应的函数，T₁表示光谱分析仪所在的环境温度，λ_n表示波长值，n为正整数。

3.根据权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，所述获取光纤温度传感器反射光的光谱净值的方法包括：

获取光纤温度传感器的噪声光谱值；

获取光纤温度传感器反射光的光谱值；

其中，利用下面的式子2计算出光纤温度传感器反射光的光谱净值，

[式子2]I_R-I_N2＝R(λ_n，T₂)-N₂(λ_n，T₂)

其中，I_R表示光纤温度传感器反射光的光谱值，I_N2表示光纤温度传感器的噪声光谱值，R(λ_n,T₂)和N₂(λ_n,T₂)分别表示与波长和温度相对应的函数，T₂表示光纤温度传感器所在的环境温度，λ_n表示波长值，n为正整数。

4.根据权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，利用下面的式子3计算出光纤温度传感器反射光的光谱反射率，

[式子3]

其中，I_S表示光源光谱值，I_N1表示光源的噪声光谱值，N₁(λ_n,T₁)和S(λ_n,T₁)分别表示与波长和温度相对应的函数，T₁表示光谱分析仪所在的环境温度，I_R表示光纤温度传感器反射光的光谱值，I_N2表示光纤温度传感器的噪声光谱值，R(λ_n,T₂)和N₂(λ_n,T₂)分别表示与波长和温度相对应的函数，T₂表示光纤温度传感器所在的环境温度，λ_n表示波长值，n为正整数。

5.根据权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，利用下面的式子4对计算出的光纤温度传感器反射光的光谱反射率进行归一化处理，

[式子4]

其中，R_n表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率，Z_n表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率的归一化值，R_max表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率的最大值，R_min表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率的最小值，n为正整数。

6.根据权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，利用下面的式子5对计算出的光纤温度传感器反射光的光谱反射率进行归一化处理，

[式子5]

其中，R_n表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率，Z_n表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率的归一化值，R_max表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率的最大值，n为正整数。

7.根据权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，利用下面的式子6计算出特定波长值，

[式子6]λ_Q＝P^-1(Z_Q,T₂)

其中，Z_Q表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率的归一化值中的特定归一化值，T₂表示光纤温度传感器所在的环境温度，λ_Q表示计算的特定波长值。

8.根据权利要求1或7所述的数据处理方法，其特征在于，光纤温度传感器反射光的光谱反射率的归一化值中的特定归一化值满足下面的式子7，

[式子7]Z_h<Z_Q<Z_k

其中，Z_Q表示光纤温度传感器反射光的光谱反射率的归一化值中的特定归一化值，Z_h∈(0,0.5),Z_k∈(0.5,1)。

9.根据权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，利用下面的式子8构建所述温度波长校对表，

[式子8]

其中，λ_Q表示特定波长值，T表示与所述特定波长值对应的温度值，A、B、C、D和E分别为常数。