CN105547456B - 一种ps-fbg超声检测系统的互相关温度补偿法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于在线监测技术领域，尤其涉及一种PS‑FBG超声检测系统的互相关温度补偿法。通过控制模块自动控制扫描和记录实现PS‑FBG反射光的波长值及其对应电压值；在室温下，获得原始PS‑FBG反射光谱数据和最佳光源工作波长；基于互相关原理，确定可调谐激光器的最大扫描间隔；在特定的波段进行实际温度环境下PS‑FBG反射光谱的扫描和PS‑FBG反射光谱数据的记录，进而应用互相关算法准确计算光源工作波长的偏移量，及时调整光源工作波长为最佳波长；本发明温度补偿无需添加参考光栅和解调仪，避免了解调仪和光源之间的固有误差，同时避免了参考光栅引起的温度补偿准确度低的问题，有效地提高了PS‑FBG超声系统的检测灵敏度。
Description
专利领域
本发明属于在线监测技术领域，尤其涉及一种PS-FBG超声检测系统的互相关温度补偿法。
背景技术
近年来，国内外学者提出了基于可调谐激光解调技术的光纤布喇格光栅(FiberBragg Grating，FBG)超声检测系统，为进一步提高超声检测灵敏度，满足不同领域的要求，相移光纤布喇格光栅(Phase-shifted Fiber Bragg Grating，PS-FBG)被用作传感器代替普通FBG进行超声波的检测，原理与普通FBG超声检测系统相同。现有技术对基于可调谐激光技术的FBG超声检测系统的工作原理进行了详细的介绍，即可调谐激光器发出一束极窄波段的光经耦合器传入FBG中，FBG反射光经过耦合器传输到光电转换器中，光电转换器将光强信号转化成电信号，由数字示波器采集显示。当超声波作用于FBG时，光纤光栅受到超声波振动的微扰，其输出的反射波波长在一定范围内漂移，引发反射光中对应光源波段的光强发生变化进而导致示波器采集到的电压幅值发生变化，最终可解调出超声波信号。当利用PS-FBG代替FBG时，由于光源工作波长设置在PS-FBG光谱中的极窄透射谱上，具有普通FBG光谱无法达到的较大光谱斜率，因此，PS-FBG具有较普通FBG更高的超声检测精度和灵敏度。
利用基于可调谐激光技术的PS-FBG超声检测系统检测超声波时，由于PS-FBG对温度和超声振动应力同时敏感，且PS-FBG反射光谱中透射波段极窄，导致PS-FBG超声检测系统的有效工作波段非常窄，即设定的可调谐激光器的工作波长值在受到温度影响后，非常容易影响偏离有效工作波段，使系统线性度和灵敏度大大降低。针对光纤布喇格光栅温度交叉敏感问题，应用较为广泛的方法是采用参考光纤光栅，即采用另外一根不受应力影响的布喇格光栅，使之与检测应力的布喇格光栅处于同一温度场中，温度变化引起的两布喇格光栅的波长漂移量相同，可以根据参考光栅的波长变化，对检测应力的光栅波长变化量进行温度补偿，进而避免温度变化引起的波长漂移误差。在PS-FBG超声检测系统中应用该方法时需要采用波长解调仪检测参考光栅因温度变化而引起的波长变化量，进而对光源的工作波长进行调整，以保证光源波长为PS-FBG反射光谱中斜率最大处对应的波长，即反射光谱中的透射波段光谱斜率最大处对应的工作波长，避免系统线性度、灵敏度降低。参考光栅温度补偿法原理简单、易行，环境适应能力强，尤其对低频参量的测量温度补偿准确度较高。但参考光栅温度补偿方法应用于PS-FBG超声检测系统存在一些缺点：系统复杂，超声检测系统需要多加一根参考光栅以及解调仪，增加了系统的复杂程度；系统检测校准工作繁琐，由于系统中添加了解调仪，在进行温度补偿时，为避免设备之间的固有误差对温度补偿准确度造成影响，需对系统进行校准；温度补偿准确度低，由于参考光栅无法和超声检测光栅在同一位置进行温度检测，导致两光栅存在一定的温度差，导致超声系统中光源的工作波长的温度补偿准确度低。
发明内容
本发明针对现有温度交叉敏感问题解决方案的不足和PS-FBG极窄的有效工作波段，提出了一种PS-FBG超声检测系统的互相关温度补偿法，其特征在于，基于PS-FBG超声检测系统的互相关波长扫描系统包括控制模块、可调谐激光器、示波器、光耦合器、光电探测器及PS-FBG；
所述PS-FBG即相移光纤布喇格光栅，其不仅用于感知温度而且还能用于感知超声振动信号；
控制模块分别与可调谐激光器和示波器连接，可调谐激光器发出一束光经光耦合器传入PS-FBG超声检测系统中，PS-FBG反射光经过光耦合器传输到光电探测器中，光电探测器将光强信号转化成电信号，由示波器采集显示；
所述方法由控制模块内置的LabVIEW软件编程实现，具体步骤为：
步骤1.控制模块通过调用可调谐激光器和示波器的动态数据链接库中的相应函数，实现对可调谐激光器激光源的特定波段扫描功能和示波器的电压换挡及电压显示功能的控制，并编程记录每次定时、定波段的PS-FBG反射光谱的波长值及其对应电压值，实现PS-FBG反射光谱的自动控制扫描和记录；
步骤2.在室温20℃下，进行最小波长间隔即1pm间隔的PS-FBG反射光谱的扫描，获得原始PS-FBG反射光谱数据和最佳光源工作波长即光谱中斜率最大点对应的波长，作为温度补偿参考；
所述PS-FBG反射光谱数据包括PS-FBG反射光谱的波长值及其对应电压值；
步骤3.温度变化导致PS-FBG反射光谱发生偏移，不同温度对应不同PS-FBG波长偏移；基于互相关原理，以1pm至30pm为间隔采集受温度影响后的PS-FBG反射光谱数据，并与步骤2中原始PS-FBG反射光谱数据进行互相关计算，获得在已知波长偏移量下不同扫描间隔对应的计算波长偏移量，并计算已知波长偏移量与不同扫描间隔下计算所得波长偏移量的误差，确定误差允许范围内的最大扫描间隔，并把可调谐激光器的扫描间隔修改为该最大扫描间隔；
步骤4.根据步骤3所得的最大扫描间隔，在特定的波段进行实际温度环境下PS-FBG反射光谱的扫描和PS-FBG反射光谱数据的记录，基于互相关算法与已有的原始PS-FBG反射光谱数据进行互相关计算获得波长偏移量，并根据原始PS-FBG反射光谱的最大斜率对应的波长值确定实际光源的最佳工作波长，然后进行超声检测；
步骤5.控制模块控制可调谐激光器每隔15分钟重复步骤4，重新确定光源的最佳工作波长。
所述PS-FBG反射光谱中有效工作波长范围即PS-FBG反射光谱中对应斜率最大的波段长的范围为4pm-8pm。
所述可调谐激光器激光源的特定波段为一天中中午室温20℃下的PS-FBG反射光谱波段，及其左右漂移各200pm的整个波段，以保证温度补偿满足室温20℃的变化。
所述方法同样适用于基于可调谐激光解调技术的普通FBG超声检测系统的温度补偿。
有益效果
本发明提出的一种PS-FBG超声检测系统的互相关温度补偿法，系统简单，温度补偿无需添加参考光栅和解调仪，且避免了解调仪和光源之间的固有误差；温度补偿准确度高，保证了所用PS-FBG在同一位置的温度感知；定时、定波段、定间隔对PS-FBG光谱进行扫描，利用高准确度的互相关计算法确定不同温度下的波长偏移量，重新确定光源最佳工作波长，提高了温度补偿准确度，从根本上保证了检测系统的检测灵敏度。系统实现自动化控制，通过LabVIEW编程控制系统中的可调谐激光源和示波器，实现定时、定间隔、定波段扫描光谱，自动确定光源最佳工作波长，有助于实现系统的超声在线监测；具有发展空间，可以在同一光纤上串联多个栅区，利用程序控制实现多个光栅的温度补偿，提高经济效益。
附图说明
图1基于PS-FBG超声检测系统的互相关波长扫描系统；
图2本发明的PS-FBG超声检测系统的互相关温度补偿法的程序流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图与一组具体实施例对本发明做进一步的描述。
如图1所示为添加了控制模块的基于PS-FBG的超声检测系统，该控制模块为LabVIEW程序控制模块，是基于PS-FBG超声检测系统温度补偿方法的核心。
利用该控制模块进行PS-FBG超声系统中光源最佳工作波长的温度补偿的流程图如图2所示，其工作过程如下：
步骤(1)利用模块内LabVIEW软件，编程分别调用可调谐激光器和示波器的动态数据链接库中的相应函数，实现对可调谐激光器波长扫描功能和示波器的电压换挡及显示功能的控制，以便进行PS-FBG的光谱扫描，即编程控制可调谐激光器的波长扫描功能包括扫描波长间隔和时间间隔，使之在特定时间发出等波长间隔的激光，扫描PS-FBG的反射光谱记录不同波长及其对应的电压值。
步骤(2)进行最小间隔(1pm)的PS-FBG光谱扫描。室温20℃下1pm光谱扫描结果和最佳工作波长的确定是超声检测系统互相关温度补偿的参考。在室温下，利用上述自动光谱扫描功能进行间隔为1pm的PS-FBG反射光谱扫描，利用所记录的波长及其对应的电压幅值数据，通过LabVIEW编程计算得到光谱中最大斜率对应的波长值，将该波长作为室温下光源的最佳工作波长。这也是利用PS-FBG超声系统进行超声检测前的光源最佳工作波长的确定方法。
步骤(3)基于互相关算法，编程确定最大波长扫描间隔。由于PS-FBG的工作波段非常窄，为了获得准确的光谱不得不在每次PS-FBG的光谱扫描过程中将扫描间隔设为1pm，光谱扫描耗时较长，使得每次光源最佳工作波长的确定效率低下。为了解决该问题，本发明中提出了基于互相关法，通过编程确定误差允许范围内最大光谱扫描间隔的方案，以提高光源工作波长的确定效率。
互相关算法反映了同一时间序列内，两个信号之间的相关程度。在温度补偿中应用互相关算法，最终为了解调出不同温度下，PS-FBG的光谱P2(λ)与室温下PS-FBG的1pm间隔扫描光谱P1(λ)的波长差，再根据室温所得的光源最佳工作波长，调整温度变化后光源的工作波长，使之达到最佳波长。解调原理如下：在获得上述两光谱后，根据互相关计算公式计算同一波长范围内，不同温度下，PS-FBG两反射光谱的相关程度C(j)，根据互相关的性质，当两光谱的重合达到最大时，互相关程度C(j)也获得最大值，而两光谱的波长差可以从C(j)达到最大值时对应的波长坐标解调出来，进而调整光源的工作波长。
基于互相关原理，通过LabVIEW编程模拟采集受温度影响后不同波长漂移下，不同扫描间隔(1pm至30pm)的PS-FBG光谱，获取不同波长偏移下，不同扫描间隔的PS-FBG反射光谱数据，并与已有1pm间隔的原始PS-FBG反射光谱进行互相关计算获得在已知波长偏移量下，不同扫描间隔对应的计算波长偏移量，并计算已知波长偏移量与不同扫描间隔下计算所得波长偏移量的误差，此处误差主要有扫描间隔的增大而导致。分析不同扫描间隔对应的误差值，最终确定误差允许范围内的最大扫描间隔，并修改LabVIEW控制可调谐激光器的扫描间隔为最大扫描间隔。
步骤(4)基于互相关算法和最大扫描间隔，进行实际光源最佳工作波长的温度补偿。根据计算所得的最大扫描间隔，利用LabVIEW编程，在特定波段内进行实际温度下，PS-FBG反射光谱的扫描，记录波长及其对应的电压幅值数据，基于互相关算法与已有的原始PS-FBG反射光谱进行互相关计算获得波长偏移量，并根据已有1pm间隔PS-FBG的反射光谱最大斜率对应的波长值确定实际光源的最佳工作波长。
步骤(5)定时进行PS-FBG反射光谱扫描，重新确定光源最佳工作波长。由于室温在一天中随时间不停变化，因此每隔一段时间需要重新确定一次光源的最佳工作波长以保证超声检测系统的灵敏度。利用LabVIEW编程，控制可调谐激光器每隔约15分钟重新进行一次PS-FBG的光谱扫描，扫描间隔即步骤(3)中确定的最大扫描间隔，扫描波长范围选取正常室温下的PS-FBG反射光谱波段，及其左右漂移各200pm的整个波段，以保证温度补偿满足室温20℃的变化。利用扫描后的光谱根据步骤(4)重新计算波长偏移量，调整光源的最佳工作波长。
在上述温度补偿过程中，所用布喇格光栅为相移光纤布喇格光栅，其有效工作波长范围仅约为4～8pm，最大允许波长偏移量误差为2pm，经互相关模拟计算，波长偏移量最大允许误差对应的波长扫描间隔为10pm，相较于1pm的扫描间隔大大提高了扫描效率和光源最佳工作波长的确定效率。
针对正在使用的PS-FBG，经过上述完整步骤后，可只进行定时重新确定波长的循环过程，若更换PS-FBG则需要重新进行上述完整过程，再进入循环过程。
本发明基于PS-FBG超声检测系统，以互相关算法为基础，首先模拟计算了最大扫描间隔，然后利用该扫描间隔扫描获得实际光谱，与原始光谱进行互相关计算获得波长偏移量，用以修正实际光源最佳工作波长，实现了光源最佳工作长的温度补偿，保证了系统的检测线性度和灵敏度。
Claims (4)
1.一种PS-FBG超声检测系统的互相关温度补偿法，其特征在于，基于PS-FBG超声检测系统的互相关波长扫描系统包括控制模块、可调谐激光器、示波器、光耦合器、光电探测器及PS-FBG；
所述PS-FBG即相移光纤布喇格光栅，其不仅用于感知温度而且还能用于感知超声振动信号；
控制模块分别与可调谐激光器和示波器连接，可调谐激光器发出一束光经光耦合器传入PS-FBG超声检测系统中，PS-FBG反射光经过光耦合器传输到光电探测器中，光电探测器将光强信号转化成电信号，由示波器采集显示；
所述方法由控制模块内置的LabVIEW软件编程实现，具体步骤为：
步骤1.控制模块通过调用可调谐激光器和示波器的动态数据链接库中的相应函数，实现对可调谐激光器激光源的特定波段扫描功能和示波器的电压换挡及电压显示功能的控制，并编程记录每次定时、定波段的PS-FBG反射光谱的波长值及其对应电压值，实现PS-FBG反射光谱的自动控制扫描和记录；
步骤2.在室温20℃下，进行最小波长间隔即1pm间隔的PS-FBG反射光谱的扫描，获得原始PS-FBG反射光谱数据和最佳光源工作波长即光谱中斜率最大点对应的波长λ0，作为温度补偿参考；
所述PS-FBG反射光谱数据包括PS-FBG反射光谱的波长值及其对应电压值；
步骤3.温度变化导致PS-FBG反射光谱发生偏移，不同温度对应不同PS-FBG波长偏移；基于互相关原理，以1pm至30pm为间隔采集受温度影响后的PS-FBG反射光谱数据，并与步骤2中原始PS-FBG反射光谱数据进行互相关计算，获得在已知波长偏移量下不同扫描间隔对应的计算波长偏移量，并计算已知波长偏移量与不同扫描间隔下计算所得波长偏移量的误差，确定误差允许范围内的最大扫描间隔，并把可调谐激光器的扫描间隔修改为该最大扫描间隔；
步骤4.根据步骤3所得的最大扫描间隔，在特定的波段进行实际温度环境下PS-FBG反射光谱的扫描和PS-FBG反射光谱数据的记录，基于互相关算法与已有的原始PS-FBG反射光谱数据进行互相关计算获得波长偏移量Δλ，并根据原始PS-FBG反射光谱的最大斜率对应的波长值确定实际光源的最佳工作波长λ′＝λ0±Δλ，然后进行超声检测；
步骤5.控制模块控制可调谐激光器每隔15分钟重复步骤4，重新确定光源的最佳工作波长。
2.根据权利要求1所述的一种PS-FBG超声检测系统的互相关温度补偿法，其特征在于，所述PS-FBG反射光谱中有效工作波长范围即PS-FBG反射光谱中对应斜率最大的波段长的范围为4pm-8pm。
3.根据权利要求1所述的一种PS-FBG超声检测系统的互相关温度补偿法，其特征在于，所述可调谐激光器激光源的特定波段为一天中中午室温20℃下的PS-FBG反射光谱波段，及其左右漂移各200pm的整个波段，以保证温度补偿满足室温20℃的变化。
4.根据权利要求1所述的一种PS-FBG超声检测系统的互相关温度补偿法，其特征在于，所述方法同样适用于基于可调谐激光解调技术的普通FBG超声检测系统的温度补偿。
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