CN105444922A - 光纤光栅温度传感器波长偏移校正方法及测温装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅温度传感器波长偏移校正方法及测温装置，采用波长偏移三次拟合法进行校正，拟合公式为：T＝K0+K1Δλ+K2Δλ2+K3Δλ3其中：T为被测温度，Δλ为相对于一基准反射波长的波长偏移，K0、K1、K2、K3为常量，需要实际标定。测温装置，包括CPU板，所述CPU板连接OS板，OS板与多路光纤连接，每路光纤串接多个测温光栅，OS板与ASE板也连接，ASE板上设有波长解调模块和光源。本发明的波长偏移三次拟合法可以明显减少温度拟合的计算量，实现较为简单，检测到Δλ后直接计算出温度T，提高了温度计算的实时性。通过本发明提出的波长偏移三次拟合法可使光纤光栅在140℃时的误差控制在2℃以内。

Description

光纤光栅温度传感器波长偏移校正方法及测温装置
技术领域
本发明涉及光纤光栅温度传感器校正技术领域，尤其涉及一种光纤光栅温度传感器波长偏移校正方法及测温装置。
背景技术
光纤光栅温度传感器具有结构紧凑、体积小、抗电磁干扰、非电量等优点，在电力、石油、化工、煤炭、消防等高电压、强干扰、强腐蚀、防爆场合得到了广泛应用，并且其封装形式、精度校正等技术仍在不断的发展之中。光纤光栅温度传感器由光栅、光纤、光源、检测电路等构成，其光路原理如图1所示，当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光栅布拉格(Bragg)条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。光栅的空间密度决定了反射光的中心波长，不同密度的光栅将反射不同中心波长的光。当光栅的温度变化时，光栅的空间密度也发生变化，其反射光的中心波长也相应移动，通过检测反射光的中心波长就可以计算出环境温度，这就是光纤光栅温度传感器的基本原理。由于光栅材料、光纤材料、封装等因素的影响，反射光的中心波长移动与被测温度并不是严格的线性关系，从而使得光纤光栅温度传感器产生误差。为提高测温精度，目前成熟的产品普遍采用二次拟合法来校正误差。二次拟合法公式为：λ＝a+bT+cT2，其中：λ为反射波波长，T为被测温度，a、b、c为常量，需要实际标定。
二次拟合法一般在中低温区进行标定，因此二次拟合法在中低温区有较好的精度，误差在0.2℃以内，但在中高温区(60℃以上)，误差逐渐增大。
已有的拟合法都是温度T的二次或三次拟合，检测到λ后需要解方程才能求出T，计算量相对较大，实现较为复杂，用单个装置实现大容量(多测温点)、实时性较高的测温需求时造价较高，不适用于高性价比、大容量(多测温点)的应用需求。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种光纤光栅温度传感器波长偏移校正方法及测温装置，采用波长偏移三次拟合法，适应高性价比、大容量、多测温点的应用需求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光纤光栅温度传感器波长偏移校正方法，采用波长偏移三次拟合法进行校正，拟合公式为：
T＝K0+K1Δλ+K2Δλ2+K3Δλ3
其中：T为被测温度，Δλ为相对于一基准反射波长的波长偏移，K0、K1、K2、K3为常量，需要实际标定。
以0℃时的反射波中心波长为基准，则拟合公式为：
T＝K1Δλ+K2Δλ2+K3Δλ3
其中：Δλ为反射波相对于0℃时反射波的中心波长偏移。
一种测温装置，采用权利要求1所述波长偏移三次拟合法进行校正的测温装置。
包括CPU板，所述CPU板连接OS板，OS板与多路光纤连接，每路光纤串接多个测温光栅，OS板与ASE板也连接，ASE板上设有波长解调模块和光源；
CPU板对OS板发出切换光路的命令，OS板对多路光纤进行顺序切换，切换到某路光纤时，该路光纤接通入射光源，光栅的反射光也通过该路光纤返回；切换成功后，CPU板对ASE板上的波长解调模块发出解调命令，并通过数据总线读出解调后的多路光栅的中心波长，根据波长数据计算出当前每个光栅的环境温度；计算完成后CPU板对OS板发出下一个周期切换命令，进行下一路光纤的处理，依此循环。
所述CPU板通过控制总线与OS板、ASE板进行通信。
所述CPU板还与液晶显示屏、存储模块连接，计算出的每路光栅的环境温度存储在存储模块中并且通过显示器显示。
设有16路光纤，每路光纤串接16个测温光栅。
本发明的有益效果：
1：本发明的波长偏移三次拟合法可以明显减少温度拟合的计算量，实现较为简单，检测到Δλ后直接计算出温度T，提高了温度计算的实时性。通过本发明提出的波长偏移三次拟合法可使光纤光栅在140℃时的误差控制在2℃以内。
2：与已有的二次拟合产品比较，提高了光纤光栅温度传感器在中高温区的精度，扩展了光纤光栅温度传感器的测温范围。
3：通过软件编程将该拟合方法固化在光纤光栅测温装置中，光纤光栅测温装置可进行1×16光路切换，每根光纤最大可串接16个测温光栅，因此装置总计可检测256个测温点，用单个装置实现了大容量、实时性较高的测温需求。
4：为各种高电压、防爆、耐腐蚀、抗干扰等工程应用提供了高性价比、大容量的测温装置。
附图说明
图1为光纤光栅温度传感器光路原理；
图2为LE-TMS型光纤光栅测温装置结构示意图；
图3为LE-TMS型光纤光栅测温装置光路及总线示意图；
图4为测试标定系统示意图；
其中，1、入射光，2、反射光，3、光栅，4、光纤，5、恒温油槽。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
一种光纤光栅温度传感器波长偏移校正方法，采用波长偏移三次拟合法进行校正，拟合公式为：
T＝K0+K1Δλ+K2Δλ2+K3Δλ3(1)
其中：T为被测温度，Δλ为相对于一基准反射波长的波长偏移，K0、K1、K2、K3为常量，需要实际标定。
以0℃时的反射波中心波长为基准，则拟合公式为：
T＝K1Δλ+K2Δλ2+K3Δλ3(2)
其中：Δλ为反射波相对于0℃时反射波的中心波长偏移。
现有的二次拟合公式为：
λ＝a+bT+cT2(3)
其中：λ为反射波波长，T为被测温度，a、b、c为常量，需要实际标定。
拟合系数标定：搭建如图4所示的温度标定系统，系统由高精度恒温油槽5(型号：HWC-Y)、光纤光栅3(型号：SMF-28e)、LE-TMS光纤光栅测温装置(型号：LE-TMS-16)组成。某个光栅实际测得数据如表1所示：
表1：光栅反射波长与温度关系的实测数据
通过公式(3)和公式(1)对温度二次拟合法和波长偏移三次拟合法进行对比：
(1)：温度二次拟合法标定及温度计算
取-20℃、0℃、40℃的数据代入公式(3)，可得到：
a＝1557.785，b＝9.58×10-3，c＝4.17×10-6
则公式(3)可写作：
λ＝1557.785+9.58×10-3T+4.17×10-6T2(4)
利用公式(1)对表1的实测数据进行计算得到表2，从表2可以看出，在中高温区(60℃以上)，误差逐渐增大，在140℃时达到8.2℃，并呈现出非线性关系。
表2：温度二次拟合法计算结果
(2)：波长偏移三次拟合法标定及温度计算
为保证中低温区(-20℃～40℃)的精度，同样用中低温区数据代入公式(1)来标定K1、K2、K3系数，取-20℃、20℃、40℃的数据代入公式(1)，并进行适当优化，可得到：
k1＝104.53，k2＝-4.26，k3＝-2.02
则公式(1)可写作：
T＝104.53Δλ-4.25Δλ2-2.02Δλ3(5)
利用公式(5)对表1的实测数据进行计算得到表3，从表3可以看出，在中高温区(60℃～140℃)，最大误差为1.5℃，与二次拟合法对比，在量程范围内，测温精度明显提高。
表3：波长偏移三次拟合法计算结果
(3)：将公式(1)通过软件编程固化在LE-TMS-16光纤光栅测温装置中，K1、K2、K3系数通过上述标定系统实际标定，并从装置界面对每个光栅温度传感器的标定系数分别设定，装置出厂前，所有光栅3的波长偏移三次拟合系数均标定完成。
如图2-3所示，本实施例给出了LE-TMS型光纤光栅测温装置的结构图，包括CPU板，所述CPU板连接OS板，OS板与多路光纤4连接，每路光纤4串接多个测温光栅3，OS板与ASE板也连接，ASE板上设有波长解调模块和光源；CPU板通过控制总线与OS板、ASE板进行通信。CPU板还与液晶显示屏、存储模块连接，计算出的每路光栅3的环境温度存储在存储模块中并且通过显示器显示。设有16路光纤4，每路光纤4串接16个测温光栅3。
CPU通过控制总线对OS板发出切换光路命令，切换周期为40ms～5000ms可设，OS板对1～16路光纤4进行顺序切换，切换到某路光纤4时，该路光纤4接通入射光源，入射光1沿光纤4传播，光栅3的反射光2也通过该光路返回；切换成功后，CPU通过控制总线对ASE板上的波长解调模块发出解调命令，并通过数据总线读出解调后的16个光栅3的中心波长，根据波长数据调用计算模块算出当前16个光栅3的环境温度，并进行存储和显示；计算完成后CPU对OS板发出下一个周期切换命令，进行下一路光纤4的处理，如此循环。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种光纤光栅温度传感器波长偏移校正方法，其特征是，采用波长偏移三次拟合法进行校正，拟合公式为：
T＝K0+K1Δλ+K2Δλ2+K3Δλ3
其中：T为被测温度，Δλ为相对于一基准反射波长的波长偏移，K0、K1、K2、K3为常量，需要实际标定。
2.如权利要求1所述一种光纤光栅温度传感器波长偏移校正方法，其特征是，以0℃时的反射波中心波长为基准，则拟合公式为：
T＝K1Δλ+K2Δλ2+K3Δλ3
其中：Δλ为反射波相对于0℃时反射波的中心波长偏移。
3.一种测温装置，其特征是，采用权利要求1所述波长偏移三次拟合法进行校正的测温装置。
4.如权利要求3所述的一种测温装置，其特征是，包括CPU板，所述CPU板连接OS板，OS板与多路光纤连接，每路光纤串接多个测温光栅，OS板与ASE板也连接，ASE板上设有波长解调模块和光源；
CPU板对OS板发出切换光路的命令，OS板对多路光纤进行顺序切换，切换到某路光纤时，该路光纤接通入射光源，光栅的反射光也通过该路光纤返回；切换成功后，CPU板对ASE板上的波长解调模块发出解调命令，并通过数据总线读出解调后的多路光栅的中心波长，根据波长数据计算出当前每个光栅的环境温度；计算完成后CPU板对OS板发出下一个周期切换命令，进行下一路光纤的处理，依此循环。
5.如权利要求4所述的一种测温装置，其特征是，所述CPU板通过控制总线与OS板、ASE板进行通信。
6.如权利要求4所述的一种测温装置，其特征是，所述CPU板还与液晶显示屏、存储模块连接，计算出的每路光栅的环境温度存储在存储模块中并且通过显示器显示。
7.如权利要求4所述的一种测温装置，其特征是，设有16路光纤，每路光纤串接16个测温光栅。
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