CN107271076A - 高真空热环境下用分布式光纤温度自动标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高真空热环境下用分布式光纤温度自动标定系统，该标定系统包括恒温试件、控温仪、上位机、分布式光纤测温仪，该恒温试件包括外筒、空心内柱、顶盖、加热片以及高精度铂电阻温度传感器，控温仪全过程自动测得铂电阻温度数据，给加热片供电并控制空心内柱壁温度，外筒、顶盖与空心内柱进行辐射换热，当待标定的光纤温度传感器与铂电阻温度传感器处于同一温度均匀场时，通过分布式光纤测温仪记录下光纤温度传感器拉曼光强比值及控温仪记录下铂电阻温度值，获得不同温度下，同一温区内拉曼光强比值与高精度铂电阻温度值对应关系以完成自动同步标定。本发明结构简单，操作方便，制作成本低，标定效率高，适用于裸光纤度传感器及各种铠装形式的分布式光纤温度传感器开展温度标定试验。

Description

高真空热环境下用分布式光纤温度自动标定系统及方法

技术领域

本发明属于光纤温度传感测量技术领域，具体涉及一种高真空热环境下分布式光纤温度自动标定系统及标定方法。

背景技术

随着我国航天器型号研制要求不断提高，对在地面模拟空间环境下测量航天器的温度，实时监测航天器结构温度与在轨进行航天器健康状态诊断的需求已经非常迫切。与传统电类温度传感器(铂电阻、热电偶等)相比，光纤温度传感器具有抗电磁干扰、高灵敏度、轻质柔性、不产生自热、线束少，大空间分布式测量及便于组网的显著优点，因此，分布式温度传感技术可以满足大型复杂卫星及大型结构件(如网状天线、桁架结构、太阳翼、机械臂等)地面空间环境试验与在轨健康状态诊断方面的应用需求，这也对分布式光纤温度传感器在真空(小于1.0×10^-4Pa)热环境(-150℃～+150℃)下测量精度的要求越来越高，需要对光纤温度传感器进行温度标定。

在大气状态下，常规分布式光纤温度传感器标定方式是直接将分布式光纤温度传感器本身置于恒温气体箱或恒温液体浴槽内进行温度标定，而考虑到光纤温度传感器需要在真空热环境下使用的实际情况，恒温气体箱或恒温液体浴槽不适应真空热环境，因此为有效保证分布式光纤温度传感器测温精度，必须针对分布式光纤温度传感器现场使用工况，设计新的真空热环境下用光纤温度传感器自动标定系统及标定方法。

由于在真空环境(小于1.0×10^-4Pa)下使用，真空环境下不存在对流换热，只支持传导换热和辐射换热方式，因此，需要对分布式光纤温度传感器进行实际使用环境的标定。

发明内容

本发明目的之一是提供一种高真空热环境下分布式光纤温度标定试件，该试件能够提供稳定均匀温度场，实现温度标定目的，旨在满足高真空热环境下分布式光纤温度标定使用要求。

本发明的另一目的是提供一种高真空热环境下分布式光纤温度自动标定系统，该标定系统适用于分布式裸光纤温度传感器及各种封装形式的分布式光纤温度传感器开展温度标定试验，且标定精度高，简单易行。

此外，本发明的另一发明目的是提供一种高真空热环境下分布式光纤温度自动标定方法，该方法标定精度高，操作简单，适用于高精度地标定光纤温度传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

真空热环境下光纤光栅温度自动标定系统，包括恒温试件、控温仪、上位机、若干高精度铂电阻温度传感器、光纤温度传感器以及分布式光纤测温仪，其中，恒温试件包括外筒、空心内柱、顶盖，外筒与空心内柱固定形成一个整体套筒结构，且空心内柱套设在外筒的内部，外筒的筒体上开设有向上开口的环形空间，顶盖盖设在外筒和空心内柱的上表面并通过顶盖内圈的紧固螺栓孔和顶盖外圈的紧固螺栓孔，分别对应地将顶盖与空心内柱、外筒紧固在一起，外筒的一侧壁上设置有外筒线束穿孔以供电缆通过，外筒内表面、空心内柱外表面、顶盖内外表面均匀喷涂高发射率材料，若干加热片粘贴在外筒外表面和顶盖外表面上用以保持其温度，多个高精度铂电阻温度传感器分别设置在外筒内表面、顶盖内表面以及空心内柱外表面中，加热片与高精度铂电阻温度传感器通过电缆分别连接到控温仪，控温仪通过网线与上位机进行通信连接，待标定的光纤温度传感器紧密缠绕在空心内柱外表面，与高精度铂电阻温度传感器置于空心内柱外表面同一位置，通过光缆连接到分布式光纤测温仪，标定试验前制定的温度标定工况表，控温仪根据上位机确定的温度标定工况表，全过程自动测得设置在外筒内表面的铂电阻温度数据和顶盖内表面的铂电阻温度数据，给粘贴在恒温试件外筒外表面的加热片和顶盖外表面的加热片供电，控制外筒壁与顶盖温度；外筒和顶盖与空心内柱进行辐射换热，当空心内柱筒壁铂电阻温度值在温度平衡保持时间内，温度波动小于等于控温精度时，即认为空心内柱筒壁已成为温度均匀场，分布式光纤测温仪记录下温度稳定时的光纤温度传感器拉曼光强比，控温仪记录下温度稳定时的槽内高精度铂电阻温度值，获得不同温度工况下，同一位置光纤温度传感器拉曼光强比与高精度铂电阻温度值对应关系，同步获得多个槽内光纤温度传感器拉曼光强比与高精度铂电阻温度值对应关系，进行光纤温度传感器在真空热环境下的全过程自动同步标定。

其中，外筒的外壁留有线束穿孔，供电缆穿出恒温试件连接外部控温仪，供光缆穿出恒温试件连接外部分的布式光纤测温仪。

其中，套筒选用导热好的材质制作，例如铝或铜材质，外筒内表面、空心内柱外表面、顶盖内外表面均匀喷涂高发射率材料如黑漆或对其外筒内外表面、空心内柱外表面、顶盖内外表面进行表面阳极化。

其中，外筒外表面、顶盖外表面均匀粘贴布满加热片。

其中，顶盖内圈的紧固螺栓孔和顶盖外圈的紧固螺栓孔分别对应着筒体和空心内柱的固定位置。

其中，紧固螺栓孔的数量呈圆周对称并至少为三个。

利用上述自动标定系统进行自动标定的方法，包括以下步骤：

首先，标定试验前制定的温度标定工况表，制定温度基准点T₀、温度间隔ΔT、控温精度α、温度平衡保持时间β、最高控温点Max、最低控温点Min、控温点顺序Min,Min+ΔT,Min+2ΔT,Min+3ΔT,…,Max,Max-ΔT,Max-2ΔT,Max-3ΔT,…,Min,Min+ΔT,Min+2ΔT,Min+3ΔT,…,T₀；

然后，上位机读取温度标定工况表，通过网线与控温仪通信，控温仪根据上位机确定的温度标定工况表，全过程自动测得设置在外筒内表面的铂电阻温度数据和顶盖内表面的铂电阻温度数据，给粘贴在恒温试件外筒外表面的加热片和顶盖外表面的加热片供电，控制外筒壁与顶盖温度；外筒和顶盖与空心内柱进行辐射换热，当空心内柱筒壁铂电阻温度值在温度平衡保持时间β内，温度波动小于等于控温精度α时，即认为空心内柱筒壁已经成为温度均匀场；

最后，分布式光纤测温仪记录下温度稳定时的光纤温度传感器拉曼光强比，控温仪记录下温度稳定时的同一位置高精度铂电阻温度值，获得不同温度工况i下，空心内柱筒壁同一位置光纤温度传感器拉曼光强比F_i与高精度铂电阻温度值T_i对应关系，完成分布式光纤温度传感器需要在真空热环境下的全过程自动同步标定试验。

本发明的高真空热环境下分布式光纤温度自动标定系统及标定方法具有结构简单，操作方便，制作成本低，标定传感器数量多，全过程自动标定，无需人工干扰，标定效率高，适用分布式裸光纤温度传感器及各种封装形式的分布式光纤温度传感器开展温度标定试验。

附图说明

图1是示出根据本发明的一个示例性实施例的真空热环境下分布式光纤温度自动标定系统组成示意图，其中恒温试件700、控温仪300、上位机800、高精度铂电阻温度传感器500、外筒线束穿孔21、电缆51、分布式光纤温度传感器600、光缆61以及分布式光纤测温仪400；

图2是示出根据本发明的一个示例性实施例的恒温试件立体示意图，其中外筒200、顶盖20、外筒线束穿孔21、顶盖紧固螺栓孔22；

图3是图2的剖面图，其中空心内柱100；

图4是示出根据本发明的恒温试件外筒内的空心内柱100结构示意图；

图5是示出根据本发明的一个示例性实施例的恒温试件无顶盖状态内部立体示意图，其中外筒200、空心内柱100、外筒线束穿孔21、顶盖紧固螺栓孔22；

具体实施方式

以下参照附图对本发明的一种高真空热环境下分布式光纤温度自动标定系统及标定方法进行详细说明，但该描述仅仅示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

参见图1，图1显示了根据本发明的一个示例性实施例的真空热环境下分布式光纤温度自动标定系统组成示意图，本发明的标定系统包括恒温试件700、控温仪300、上位机800、若干高精度铂电阻温度传感器500、电缆51、分布式光纤温度传感器600、光缆61以及分布式光纤测温仪400，其中，图2是示出根据本发明的一个示例性实施例的恒温试件立体示意图，该恒温试件700包括外筒200、空心内柱100、顶盖20、外筒线束穿孔21以及顶盖紧固螺栓孔22，恒温试件700的结构具体参见图3-5。如图3-5所示，该恒温试件的外筒200与空心内柱100底部是一个整体形成的套筒结构，从图4-5可以清楚地看出，空心内柱设置在外筒200的中心位置并与外筒200之间形成容纳用于容纳电缆51与光缆61的环形空间，空心内柱具有一向上开口的圆柱形空间，以用于减轻恒温试件700的重量。参见图2，顶盖20盖设在外筒200和空心内柱100的上表面并通过顶盖20内圈的紧固螺栓孔和顶盖外圈的紧固螺栓孔22，分别对应地将顶盖与空心内柱100、外筒紧固在一起，外筒200的一侧壁上设置有外筒线束穿孔21，以供电缆51与光缆61通过，外筒200的内外表面、空心内柱100内外表面与顶盖20内外表面都均匀喷涂高发射率材料。

参见图3，在一具体的实施方式中，空心内柱可以掏空，使得内部空心圆柱体底部接近于外筒的底部。

参见图1，在一具体的实施方式中，加热片粘贴在恒温试件外筒200的外表面、顶盖的20外表面上。三组高精度铂电阻温度传感器500分别安装在恒温试件700外筒200内表面、顶盖20内表面和空心内柱100外表面上，加热片与高精度铂电阻温度传感器500分别通过电缆经外筒线束穿孔21连接到控温仪300，控温仪300通过网线与上位机800进行通信连接。待标定的分布式光纤温度传感器600紧密盘绕粘贴在在恒温试件700空心内柱100外表面，一组高精度铂电阻温度传感器500用胶水粘贴在空心内柱100外表面，与分布式光纤温度传感器600置于同一位置，并通过光缆61穿过外筒线束穿孔21连接到分布式光纤测温仪400。

其中，控温仪300测得安装在恒温试件外筒200内表面和顶盖20内表面的铂电阻500温度数据，给粘贴在恒温试件外筒200和顶盖20外表面的加热片供电，控制恒温试件外筒200筒壁与顶盖20温度；外筒200和顶盖20与空心内柱100进行辐射换热，最终达到热平衡状态，实现空心内柱100外壁成为温度均匀场，待标定的光纤温度传感器600安装在空心内柱100外壁与高精度铂电阻500温度传感器置于同一位置，处于同一温度均匀场，通过光缆连接到分布式光纤测温仪400，分布式光纤测温仪400记录下温度稳定时的光纤温度传感器600拉曼光强比，控温仪300记录下温度稳定时的槽内高精度铂电阻500温度值，获得不同温度工况下，同一位置的分布式光纤温度传感器600拉曼光强比F_i与高精度铂电阻500温度值T_i对应关系，完成分布式光纤温度传感器需要在真空热环境下的同步标定试验。

以标定1个分布式光纤温度传感器600为例，本发明分布式光纤温度传感器自动标定方法如下：

1)加电启动实验设备并对其初始化，包括控温仪300、上位机800以及分布式光纤测温仪400；

2)制定试验用的温度标定工况电子表单，设定温度基准点T₀、温度间隔ΔT、控温精度α、温度平衡保持时间β、最高控温点Max、最低控温点Min、控温点顺序Min,Min+ΔT,Min+2ΔT,Min+3ΔT,…,Max,Max-ΔT,Max-2ΔT,Max-3ΔT,…,Min,Min+ΔT,Min+2ΔT,Min+3ΔT,…,T₀。具体实例表示为，设定温度基准点20℃、温度间隔20℃、控温精度±0.5℃、温度平衡保持时间20Min、最高控温点160℃、最低控温点-160℃、控温点顺序-160℃、-140℃、-120℃、-100℃、-80℃、-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、160℃、140℃、120℃、100℃、80℃、60℃、40℃、20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃、-100℃、-120℃、-140℃、-160℃、-140℃、-120℃、-100℃、-80℃、-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃。

3)上位机800读取温度标定工况电子表单，通过网线与控温仪300通信，控温仪300获得温度标定工况表；

4)控温仪300根据控温点顺序，当需要控制40℃温度点时，控温仪300此时测得安装在恒温试件外筒200内表面和顶盖20内表面的铂电阻500温度数据为30℃，给粘贴在恒温试件外筒200和顶盖20外表面的加热片供电，控制恒温试件外筒200筒壁与顶盖20温度从30℃向40℃升温；外筒200和顶盖20与空心内柱100进行辐射换热，最终达到热平衡状态，当空心内柱100筒壁铂电阻500温度值在温度平衡保持时间20Min内，温度波动小于等于控温精度±0.5℃时，即可认为空心内柱100已经成为温度均匀场，内槽100温度为40±0.5℃；

5)安装在恒温试件700空心内柱100的光纤温度传感器600通过光缆连接到分布式光纤测温仪400，分布式光纤测温仪400记录温度稳定在40℃时的光纤温度传感器600拉曼光强比F；

6)控温仪300记录下温度稳定在40℃时的空心内柱100高精度铂电阻500温度值T；

7)控温仪300读取温度标定工况表，根据控温点顺序，进行下一个控温点如60℃控温，根据步骤4)、5)、6)，获得60℃温度时，同一个位置光纤温度传感器600拉曼光强比F与高精度铂电阻500温度值T，依次类推，获得所有不同温度工况i下，分布式光纤温度传感器600拉曼光强比F_i与高精度铂电阻500温度值T_i；

8)对所有温度工况如-160℃、-140℃、-120℃、-100℃、-80℃、-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、160℃、140℃、120℃、100℃、80℃、60℃、40℃、20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃、-100℃、-120℃、-140℃、、-160℃、-140℃、-120℃、-100℃、-80℃、-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃，空心内柱100外壁上的光纤温度传感器600拉曼光强比F_i与高精度铂电阻500温度值T_i，根据最小二乘法原理进行一般多项式拟合T_i＝k_nF_i ⁿ+k_n-1F_i ^n-1+...+k₂F_i ²+k₁F_i+k₀。

本发明的分布式光纤温度传感器自动标定系统中的恒温试件不使用液体或气体进行浸泡恒温，使用双层金属板辐射换热，提供稳定均匀温度场，自动标定系统全程自动进行温度标定，无需人工干预，标定效率高，满足高真空热环境下分布式光纤温度标定使用要求，适用于分布式裸光纤温度传感器及各种封装形式的分布式光纤温度传感器开展温度标定试验，对于提高光纤温度传感器在真空热环境下测量精度具有积极的现实意义。

本发明的高真空热环境下分布式光纤温度自动标定系统及标定方法具有结构简单，操作方便，制作成本低，标定传感器数量多，全过程自动标定，无需人工干扰，标定效率高，在真空热环境下，-190℃～+150℃宽温范围内，快速准确的提供给用户稳定的光纤光栅温度标定环境，在-190℃～+150℃温度范围内，温度的稳定性和均匀性，分别达到了优于±0.5℃的水平，满足高真空热环境下分布式光纤温度标定使用要求，适用分布式裸光纤温度传感器及各种封装形式的分布式光纤温度传感器开展温度标定试验。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.真空热环境下光纤光栅温度自动标定系统，包括恒温试件、控温仪、上位机、若干高精度铂电阻温度传感器、光纤温度传感器以及分布式光纤测温仪，其中，恒温试件包括外筒、空心内柱、顶盖，外筒与空心内柱固定形成一个整体套筒结构，且空心内柱套设在外筒的内部，外筒的筒体上开设有向上开口的环形空间，顶盖盖设在外筒和空心内柱的上表面并通过顶盖内圈的紧固螺栓孔和顶盖外圈的紧固螺栓孔，分别对应地将顶盖与空心内柱、外筒紧固在一起，外筒的一侧壁上设置有外筒线束穿孔以供电缆通过，外筒内表面、空心内柱外表面、顶盖内外表面均匀喷涂高发射率材料，若干加热片粘贴在外筒外表面和顶盖外表面上用以保持其温度，多个高精度铂电阻温度传感器分别设置在外筒内表面、顶盖内表面以及空心内柱外表面中，加热片与高精度铂电阻温度传感器通过电缆分别连接到控温仪，控温仪通过网线与上位机进行通信连接，待标定的光纤温度传感器紧密缠绕在空心内柱外表面，与高精度铂电阻温度传感器置于空心内柱外表面同一位置，通过光缆连接到分布式光纤测温仪，标定试验前制定的温度标定工况表，控温仪根据上位机确定的温度标定工况表，全过程自动测得设置在外筒内表面的铂电阻温度数据和顶盖内表面的铂电阻温度数据，给粘贴在恒温试件外筒外表面的加热片和顶盖外表面的加热片供电，控制外筒壁与顶盖温度；外筒和顶盖与空心内柱进行辐射换热，当空心内柱筒壁铂电阻温度值在温度平衡保持时间内，温度波动小于等于控温精度时，即认为空心内柱筒壁已成为温度均匀场，分布式光纤测温仪记录下温度稳定时的光纤温度传感器拉曼光强比，控温仪记录下温度稳定时的槽内高精度铂电阻温度值，获得不同温度工况下，同一位置光纤温度传感器拉曼光强比与高精度铂电阻温度值对应关系，同步获得多个槽内光纤温度传感器拉曼光强比与高精度铂电阻温度值对应关系，进行光纤温度传感器在真空热环境下的全过程自动同步标定。

2.如权利要求1所述的系统，其中，外筒的外壁留有线束穿孔，供电缆穿出恒温试件连接外部控温仪，供光缆穿出恒温试件连接外部分的布式光纤测温仪。

3.如权利要求1-2任一项所述的系统，其中，外筒外表面、顶盖外表面均匀粘贴布满加热片。

4.如权利要求1-2任一项所述的系统，其中，顶盖内圈的紧固螺栓孔和顶盖外圈的紧固螺栓孔分别对应着筒体和空心内柱的固定位置。

5.如权利要求1-2任一项所述的系统，其中，紧固螺栓孔的数量呈圆周对称并至少为三个。

6.如权利要求1-2任一项所述的系统，其中，外筒选用导热好的材质制作。

7.如权利要求1-2任一项所述的系统，其中，外筒选用铝或铜材质制成，外筒内表面、空心内柱外表面、顶盖内外表面均匀喷涂高发射率材料或对其外筒内外表面、空心内柱外表面、顶盖内外表面进行表面阳极化。

8.如权利要求1-2任一项所述的系统，其中，高发射率材料为黑漆。

9.利用权利要求1-8任一项所述的自动标定系统进行自动标定的方法，包括以下步骤：

首先，标定试验前制定的温度标定工况表，制定温度基准点T₀、温度间隔ΔT、控温精度α、温度平衡保持时间β、最高控温点Max、最低控温点Min、控温点顺序Min,Min+ΔT,Min+2ΔT,Min+3ΔT,…,Max,Max-ΔT,Max-2ΔT,Max-3ΔT,…,Min,Min+ΔT,Min+2ΔT,Min+3ΔT,…,T₀；

然后，上位机读取温度标定工况表，通过网线与控温仪通信，控温仪根据上位机确定的温度标定工况表，全过程自动测得设置在外筒内表面的铂电阻温度数据和顶盖内表面的铂电阻温度数据，给粘贴在恒温试件外筒外表面的加热片和顶盖外表面的加热片供电，控制外筒壁与顶盖温度；外筒和顶盖与空心内柱进行辐射换热，当空心内柱筒壁铂电阻温度值在温度平衡保持时间β内，温度波动小于等于控温精度α时，即认为空心内柱筒壁已经成为温度均匀场；

最后，分布式光纤测温仪记录下温度稳定时的光纤温度传感器拉曼光强比，控温仪记录下温度稳定时的同一位置高精度铂电阻温度值，获得不同温度工况i下，空心内柱筒壁同一位置光纤温度传感器拉曼光强比F_i与高精度铂电阻温度值T_i对应关系，完成分布式光纤温度传感器需要在真空热环境下的全过程自动同步标定试验。