CN105486242A - 一种用于带有封装的光纤光栅应变传感器温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于带有封装的光纤光栅应变传感器温度补偿方法，通过记录应变测试开始时刻和进行过程中的环境温度、确定封装类型、选用相应的经验公式进行计算，即可获得高精度的温度补偿。该方法适用于各类带有封装的光纤光栅应变传感器。该方法不需要额外布设参考传感器，有效降低补偿成本。对于不同封装类型，仅需对总温度特性系数进行调整即可获得相应的温度补偿，具备广泛的实用性。

Description

一种用于带有封装的光纤光栅应变传感器温度补偿方法

技术领域

本发明专利涉及光纤光栅应变传感技术领域，具体涉及一种光纤光栅应变传感器的温度补偿方法。

背景技术

应变是表征工程结构安全的重要指标，人们通常通过检测结构的应变来评估一项工程的健康状况。结构体受外界作用产生的应变过大，会使结构产生裂纹等损伤，进一步发展会导致结构的破坏，甚至威胁工程安全。应变传感器广泛应用于机械制造、建筑桥梁、能源化工、航空航天、科研教学等领域，获得被测结构位置的应变参数，作为运行状态评定、结构性能测试、在线健康监测的直接参考数据。

近年来，新兴的光纤光栅应变传感器获得了人们的青睐，正逐渐在建筑、桥梁、水利、航空等领域取代传统应变片传感器成为主流。其具有的优点包括体积小、精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、结构形式灵活、测量对象广泛、可分布或者准分布式测量、寿命高等，性能相较应变片更为优异。但是，由于光纤光栅的中心波长对温度与应变均敏感，自身无法区分温度和应变分别引起的波长变化，从而导致了温度和应变的交叉敏感问题。所以，在进行结构的应变测试时，如何在测量数据中消除温度影响，获得由荷载引起的结构真实应变值，是非常必要的，这一过程即称之为温度补偿。

裸光纤光栅材料特别脆弱，抗剪能力很差，在工程施工和测试试验等实际应用中，极易受到损伤而导致传感失效。因此，在使用光纤光栅作为传感器时需要采用保护性措施来防止传感器损坏，即进行保护性封装。虽然光纤光栅传感器的自身特性为温度交叉敏感问题的主要影响因素，但不同封装材料的热弹性系数也不相同，使得光纤光栅在应变测试过程中产生不同程度形变，对应变输出同样产生了重要影响。若仅考虑光纤光栅本身特性进行温度补偿，其准确度必然不能满足需求。

现有技术中光纤光栅的温度补偿方法主要分为两类：添加额外传感器或装置法和分析算法。前者中常见的包括参考光栅法、双波长叠栅法、特殊材质封装法等，后者中常见方法包括回归分析方法和机器学习法等。

添加额外传感器或装置方法一般需要在传感器网络中添加额外的传感器，将其布设于与测点处于同一温度环境、与被测点材质相同且不承受载荷的位置，或两只传感器均布设于测点附近，还有安装特异型封装的方式，并均需配合相应的计算方法完成温度补偿。而在一些工程实际或试验中，存在难以找到无载荷位置或测点位置受限，添加额外传感器或装置温度补偿方法则难以实现的问题，导致此类方法难以开展，无法有效完成温度补偿。

发明内容

为了克服添加额外传感器或装置方法布设位置受限，且未考虑光纤光栅传感器封装性质等因素导致温度补偿难以实施或效果不佳的技术问题，本发明提供一种用于带有封装的光纤光栅应变传感器温度补偿方法，采用经验公式计算方法，针对不同封装类型选用不同的总温度特性系数，该系数考虑了封装材料特性光纤光栅性质。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种用于带有封装的光纤光栅应变传感器温度补偿方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

步骤1)在开始应变测量前，将光纤光栅传感器置0；

步骤2)记录光纤光栅传感器置零时刻的环境温度T₀；

步骤3)应变测试过程中，用光纤光栅传感器测量被测结构的应变，并记录光纤光栅传感器的应变输出以及测试时刻的环境温度T_t；

步骤4)根据公式，计算被测结构真实应变值ε_r，ε_r＝ε_t-α_T(T_t-T₀)；

其中，ε_r为结构真实应变值，ε_t为传感器应变测试值，T_t为测试时刻对应的环境温度，T₀为光纤光栅传感器置零时刻的环境温度；α_T为总温度特性系数通过恒温试验确定。

采用恒温恒湿试验箱提供高精度的温度环境，由等强度梁提供稳定的应变输出；

所述恒温试验具体为：

1)将测试光纤光栅传感器布设于等强度梁有效段，并将等强度梁与光纤光栅传感器一同置于恒温恒湿箱内部进行试验；

2)在等强度梁上增加载荷；

3)设定恒温恒湿试验箱参数，湿度采用恒定湿度；

4)在光纤光栅传感器正常工作温度范围内，至少三次升降温，并记录每次光纤光栅传感器的实际应变输出值和对应的温度；

5)更换载荷，执行步骤3)；

载荷至少更换两次；

6)针对历次试验测试获得的应变—温度关系进行分析，即可获得相应光纤光栅传感器的总温度特性系数。

当光纤光栅传感器的封装为金属封装传感器，总温度特性系数α_T为：18.59；

当光纤光栅传感器的封装为软质封装传感器，总温度特性系数α_T为：17.52。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的用于带有的封装光纤光栅应变传感器计算温度补偿方法，通过经验公式直接计算实现封装型光纤光栅应变传感器的温度补偿，解决了添加额外传感器或装置方法在某些场合使用受限问题，简化光纤光栅传感测试网络，无需添加额外的参考测温光栅或特殊封装，不挤占测试区域，同时节省传感器布设成本，能够获得可靠的应变数据。

2、本发明通过更换对应封装材料的总温度特性系数，能够适用于各类不同封装光纤光栅传感器的应变测量，具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明的温度补偿算法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明的用于带有封装的光纤光栅应变传感器温度补偿算法，包括以下步骤：

步骤(1)在开始应变测量前，将光纤光栅传感器置0；

步骤(2)记录传感器置零时刻的环境温度，该温度可由任意可信温度测试方法获得；

步骤(3)应变测试过程中，记录光纤光栅传感器的应变输出以及数据输出对应时刻的环境温度；

步骤(4)确定使用传感器的封装形式，选择相应的总温度特性系数；

步骤(5)将应变输出值、测试时环境温度值与置零时刻环境温度值和总温度特性系数带入经验公式，计算即可获得相应时刻经过温度补偿的结构实际应变情况。经验公式为ε_r＝ε_t-α_T(T_t-T₀)。

其中，ε_r为结构真实应变值，ε_t为传感器应变测试值，α_T为总温度特性系数同时恒温试验确定，T_t为测试时刻对应环境温度，T₀为传感器置零时刻环境温度。

恒温试验具体为：采用恒温恒湿试验箱提供高精度的温度环境，由等强度梁提供稳定的应变输出；

1)将测试光纤光栅传感器布设于等强度梁有效段，并将等强度梁与光纤光栅传感器一同置于恒温恒湿箱内部进行试验；

2)调节恒温恒湿试验箱采用恒定湿度环境；；

3)在等强度梁上增加载荷；

4)在光纤光栅传感器正常工作温度范围内，至少三次升降温，并记录每次光纤光栅传感器的实际应变输出值和对应的温度；

5)更换载荷，执行步骤4)；

载荷至少更换两次；

6)针对历次试验测试获得的应变—温度关系进行分析，通过大量恒温试验数据统计，拟合计算获得，其拟合决定系数均值为R²＝0.9997。即可获得相应传感器的总温度特性系数。

针对不同材质封装的总温度特性系数不同，针对金属封装传感器和软质封装传感器，总温度特性系数α_T分别为：18.59和17.52。

综上所述，本发明的用于带有的封装光纤光栅应变传感器计算温度补偿方法，通过采用温度补偿经验公式，根据封装类型选用对应的总温度特性系数，记录测量前及测量时的环境温度，即可计算获得温度补偿后的结构应变信息。该方法解决了添加额外传感器或装置方法在某些特定场合的使用受限问题，无需添加额外的传感器或特殊封装，有效降低测量系统成本。通过试验测定不同封装光纤光栅应变传感器的总温度特性系数后，在实际使用中仅需根据封装类型选用对应的系数即可实现相应的温度补偿，可适用于各类封装光纤光栅应变传感器的温度补偿，具备广泛的实用性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施条例的限制，上述实施条例和说明书中面熟的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (3)

1.一种用于带有封装的光纤光栅应变传感器温度补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)在开始应变测量前，将光纤光栅传感器置0；

步骤2)记录光纤光栅传感器置零时刻的环境温度T₀；

步骤3)应变测试过程中，用光纤光栅传感器测量被测结构的应变，并记录光纤光栅传感器的应变输出以及测试时刻的环境温度T_t；

步骤4)根据公式，计算被测结构真实应变值ε_r，ε_r＝ε_t-α_T(T_t-T₀)；

其中，ε_r为结构真实应变值，ε_t为传感器应变测试值，T_t为测试时刻对应的环境温度，T₀为光纤光栅传感器置零时刻的环境温度；α_T为总温度特性系数通过恒温试验确定。

2.根据权利要求1所述的用于带有封装的光纤光栅应变传感器温度补偿方法，其特征在于：采用恒温恒湿试验箱提供高精度的温度环境，由等强度梁提供稳定的应变输出；

所述恒温试验具体为：

1)将测试光纤光栅传感器布设于等强度梁有效段，并将等强度梁与光纤光栅传感器一同置于恒温恒湿箱内部进行试验；

2)在等强度梁上增加载荷；

3)设定恒温恒湿试验箱参数，湿度采用恒定湿度；

4)在光纤光栅传感器正常工作温度范围内，至少三次升降温，并记录每次光纤光栅传感器的实际应变输出值和对应的温度；

5)更换载荷，执行步骤3)；

载荷至少更换两次；

6)针对历次试验测试获得的应变—温度关系进行分析，即可获得相应光纤光栅传感器的总温度特性系数。

3.根据权利要求2所述的用于带有封装的光纤光栅应变传感器温度补偿方法，其特征在于：当光纤光栅传感器的封装为金属封装传感器，总温度特性系数α_T为：18.59；

当光纤光栅传感器的封装为软质封装传感器，总温度特性系数α_T为：17.52。