CN107490442A - 真空热环境下光纤温度传感器自动标定系统及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空热环境下光纤光栅温度自动标定系统，该标定系统包括恒温装置、温控单元、上位机、光纤光栅解调仪，该恒温装置包括外筒、内筒、加热片以及铂电阻温度传感器，温控单元全过程自动测得铂电阻温度数据，给加热片供电并控制内筒壁温度，外筒与内筒进行辐射换热，当待标定的光纤光栅温度传感器与铂电阻温度传感器处于同一温度均匀场时，通过光纤光栅解调仪记录下光纤光栅波长及铂电阻温度值，获得不同温度工况i下，同一槽内光纤光栅波长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，标定传感器数量多，标定效率高，适用于裸光纤光栅温度传感器及各种封装形式的光纤光栅温度传感器开展温度标定试验。

Description

真空热环境下光纤温度传感器自动标定系统及标定方法

技术领域

本发明属于光纤温度传感测量技术领域，具体涉及一种真空热环境下光纤光栅温度传感器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，光纤光栅温度传感器具有抗电磁干扰、不影响外界电磁场、高灵敏度、轻质柔性、不产生自热、多参量复合传感测量、大空间分布式测量及便于组网的显著优点，因此，光纤光栅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，这也对光纤光栅温度传感器在真空(小于1.0×10^-4Pa)热环境(-150℃～+150℃)下测量精度的要求越来越高，需要对光纤光栅温度传感器进行温度标定。

在大气状态下，常规光纤光栅温度传感器标定方式是直接将光纤光栅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，而考虑到光纤光栅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，因此为有效保证光纤光栅温度传感器测温精度，必须针对光纤光栅温度传感器现场使用工况，设计新的真空热环境下用光纤光栅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，需要对光纤光栅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真空热环境下光纤光栅温度传感器自动标定系统，该系统能够提供稳定均匀温度场，实现温度标定目的，旨在满足真空热环境下光纤光栅温度传感器温度标定使用要求。

本发明的另一目的是提供一种真空热环境下光纤光栅温度传感器自动标定系统，该标定方法适用于裸光纤光栅温度传感器及各种封装形式的光纤光栅温度传感器开展温度标定试验，且标定精度度高，简单易行。

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，包括恒温装置、温度测控单元、上位机、光纤光栅解调仪，该恒温装置包括外筒、内筒、加热片以及高精度铂电阻温度传感器，外筒内外表面、内筒外表面均匀喷涂高发射率材料，内外筒绝热固定形成一个整体套筒结构，若干加热片粘贴在外筒外表面和内筒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、内筒外表面、内筒内表面以及内筒内槽中，内筒内槽沿纵向开设在内筒内壁上，加热片与高精度铂电阻温度传感器通过电缆分别连接到温度测控单元，温度测控单元通过网线与上位机进行通信连接，待标定的光纤光栅温度传感器设置在内筒内槽中，与高精度铂电阻温度传感器置于同一槽内，通过光缆连接到光纤光栅解调仪，标定试验前制定的温度标定工况表，温度测控单元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，给粘贴在恒温装置外筒外表面的加热片供电，控制外筒壁温度；温度测控单元测得设置在内筒外表面、内筒内表面的铂电阻温度数据，给粘贴在内筒外表面的加热片供电，控制内筒壁温度，外筒与内筒进行辐射换热，当内筒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，即认为内筒内槽已成为温度均匀场，光纤光栅解调仪记录下温度稳定时的光纤光栅波长，温度测控单元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，同一槽内光纤光栅波长与高精度铂电阻温度值对应关系，同步获得多个槽内光纤光栅波长与高精度铂电阻温度值对应关系，进行多个光纤光栅温度传感器在真空热环境下的全过程自动同步标定。

其中，内筒设置有内筒顶部筒盖、内筒底部筒盖、内筒底部线束穿孔、内筒挂耳、内筒内槽、内筒顶部线束穿孔，内筒挂耳利用紧固螺栓固定内筒筒壁、内筒顶部筒盖和内筒底部筒盖，若干内筒内槽沿纵向开设在内筒内壁上。

其中，外筒设置有外筒顶部筒盖、外筒底部筒盖、外筒底部线束穿孔、外筒顶部线束穿孔、外筒顶部固定环、外筒底部固定环、外筒紧固螺栓，利用绝缘线束连接内筒挂耳与外筒紧固螺栓，向上旋转外筒顶部固定环与外筒底部固定环将绝缘线束拉紧，绝缘线束将外筒与内筒绝热连接固定形成一个整体套筒结构。

其中，内外套筒选用导热好的材质制作，例如铝或铜材质，外筒内外表面、内筒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、内筒外表面进行表面阳极化。

其中，外筒内表面、内筒外表面均匀粘贴布满加热片。

其中，内筒内壁开槽，开槽数量不限，槽宽为1～10mm，优选2mm，槽间距为为1～10mm，优选5mm。

其中，外筒与内筒顶部、底部筒盖均留有线束穿孔，供电缆穿出恒温装置连接外部温控单元，供光缆穿出恒温装置连接外部光纤光栅解调仪。

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T₀,T₀+ΔT,T₀+2ΔT,T₀+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，通过网线与温控单元通信，温控单元根据温度标定工况表，全过程自动测得安装在恒温装置外筒内表面的铂电阻温度数据，给粘贴在恒温装置外筒外表面的加热片供电，控制恒温装置外筒壁温度；温控单元测得安装在恒温装置内筒外表面、内筒内表面的铂电阻温度数据，给粘贴在恒温装置内筒外表面的加热片供电，控制恒温装置内筒壁温度，外筒与内筒进行辐射换热，当内筒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，即认为内筒内槽已经成为温度均匀场；

最后，将待标定的光纤光栅温度传感器设置在恒温装置内筒内槽与高精度铂电阻温度传感器置于同一槽内，处于同一温度均匀场，通过光缆连接到光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪记录下温度稳定时的光纤光栅波长，温控单元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i下，同一槽内光纤光栅波长与高精度铂电阻温度值对应关系，同步获得多个槽内光纤光栅波长λ_i与高精度铂电阻温度值T_i对应关系，完成多个光纤光栅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。

本发明的真空热环境下光纤光栅温度传感器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，适用裸光纤光栅温度传感器及各种封装形式的光纤光栅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一种真空热环境下光纤光栅温度自动标定系统组成示意图，其中恒温装置700、温控单元300、上位机800、高精度铂电阻温度传感器500、光纤光栅温度传感器600以及光纤光栅解调仪400。

图2是示出根据本发明的一个示例性实施例的恒温装置分离状态立体示意图，其中外筒200、内筒100、内筒顶部筒盖10、内筒底部筒盖11、内筒底部线束穿孔12、内筒挂耳13、外筒顶部筒盖20、外筒底部筒盖21、外筒底部线束穿孔22、外筒顶部线束穿孔23、外筒顶部固定环24、外筒底部固定环25、外筒紧固螺栓26，外筒200、内筒100处于分离的状态。

图3是图1的剖面图，其中内筒内槽14。

图4是示出根据本发明的一个示例性实施例的恒温装置外筒立体示意图，其中外筒200、外筒顶部筒盖20、外筒顶部线束穿孔23、外筒紧固螺栓26。

图5是示出根据本发明的一个示例性实施例的恒温装置外筒另一个角度的立体示意图，其中外筒200、外筒底部筒盖21、外筒底部线束穿孔22。

图6是示出根据本发明的一个示例性实施例的恒温装置内筒立体示意图，其中内筒100、内筒顶部筒盖10、内筒挂耳13、内筒顶部线束穿孔15。

图7是示出根据本发明的一个示例性实施例的恒温装置内筒另一个角度的立体示意图，其中内筒100、内筒底部筒盖11、内筒底部线束穿孔12、内筒挂耳13。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的一种真空热环境下光纤光栅温度传感器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。

本发明的光纤光栅温度传感器自动标定系统中的恒温装置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，满足真空热环境下光纤光栅温度传感器温度标定使用要求，适用于裸光纤光栅温度传感器及各种封装形式的光纤光栅温度传感器开展温度标定试验，对于提高光纤光栅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。如图1与图2所示，该标定系统包括恒温装置700、温控单元300、上位机800、高精度铂电阻温度传感器500、光纤光栅温度传感器600以及光纤光栅解调仪400。该恒温装置包括外筒200、内筒100、以及高精度铂电阻温度传感器500。恒温装置700外筒200内外表面、内筒100外表面均匀喷涂高发射率材料，内外筒绝热固定形成一个整体套筒结构。加热片粘贴在恒温装置外筒200外表面、内筒100外表面。高精度铂电阻温度传感器500安装在恒温装置700外筒200内表面、内筒100外表面、内筒100内表面以及内筒内槽14，加热片与高精度铂电阻温度传感器500通过电缆连接到温控单元300，温控单元300通过网线与上位机800进行通信连接。待标定的光纤光栅温度传感器600安装在恒温装置700内筒内槽14与高精度铂电阻温度传感器500置于同一槽内，通过光缆连接到光纤光栅解调仪400。

如图2至7所示，该恒温装置包括外筒200、内筒100、内筒顶部筒盖10、内筒底部筒盖11、内筒底部线束穿孔12、内筒挂耳13、内筒内槽14、内筒顶部线束穿孔15、外筒顶部筒盖20、外筒底部筒盖21、外筒底部线束穿孔22、外筒顶部线束穿孔23、外筒顶部固定环24、外筒底部固定环25、外筒紧固螺栓26。恒温装置外筒200内外表面、内筒100外表面均匀喷涂高发射率材料。

其中，内筒挂耳13利用紧固螺栓固定内筒100筒壁、内筒顶部筒盖10和内筒底部筒盖11，然后，利用绝缘线束连接内筒挂耳13与外筒紧固螺栓26，接着，向上旋转外筒顶部固定环24与外筒底部固定环25将绝缘线束拉紧，最后，绝缘线束将外筒200与内筒100绝热连接固定形成一个整体套筒结构。加热片粘贴在恒温装置外筒200外表面、内筒100外表面。高精度铂电阻温度传感器安装在恒温装置外筒200内表面、内筒100外表面、内筒100内表面以及内筒内槽14，外筒200外表面与内筒100外表面的加热片和外筒200内表面、内筒100外表面与内筒100内表面的高精度铂电阻温度传感器通过电缆穿过内筒顶部线束穿孔12、内筒底部线束穿孔12、外筒底部线束穿孔22以及外筒顶部线束穿孔23连接到温控单元300。温控单元300测得安装在恒温装置外筒内表面的铂电阻温度数据，给粘贴在恒温装置外筒外表面的加热片供电，控制恒温装置外筒200筒壁温度；温控单元300测得安装在恒温装置内筒100外表面、内筒100内表面的铂电阻温度数据，给粘贴在恒温装置内筒100外表面的加热片供电，控制恒温装置内筒100筒壁温度，外筒200与内筒100进行辐射换热，最终达到热平衡状态，实现内筒内槽14成为温度均匀场，待标定的光纤光栅温度传感器安装在内筒内槽14与高精度铂电阻温度传感器置于同一内槽14内，处于同一温度均匀场，通过光缆连接到光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪记录下温度稳定时的光纤光栅波长，温控单元300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，同一内槽14中的光纤光栅波长与高精度铂电阻温度值对应关系，同步获得多个槽内光纤光栅波长与高精度铂电阻温度值对应关系，完成多个光纤光栅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个光纤光栅温度传感器600为例，本发明光纤光栅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，包括温控单元300、上位机800以及光纤光栅解调仪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T0,T0+ΔT,T0+2ΔT,T0+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，通过网线与温控单元300通信，温控单元300获得温度标定工况表；

4)温控单元300根据控温点顺序，当需要控制40℃温度点时，温控单元300此时测得安装在恒温装置700外筒200内表面的铂电阻500温度数据为30℃，给粘贴在恒温装置700外筒200外表面的加热片供电，控制恒温装置700外筒200筒壁温度从30℃向40℃升温；温控单元300测得安装在恒温装置700内筒100外表面、内筒100内表面的铂电阻500温度数据为25℃，给粘贴在恒温装置700内筒100外表面的加热片供电，控制恒温装置700内筒100筒壁温度从30℃向40℃升温，外筒200与内筒100进行辐射换热，当内筒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，即可认为内筒100内槽14已经成为温度均匀场，内槽14温度为40±0.5℃；

5)安装在恒温装置700内筒内槽14的光纤光栅温度传感器600通过光缆连接到光纤光栅解调仪400，光纤光栅解调仪400记录温度稳定在40℃时的光纤光栅温度传感器600波长λ，

6)温控单元300记录下温度稳定在40℃时的内筒内槽14内高精度铂电阻500温度值T，；

7)温控单元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，同一个内槽14内光纤光栅温度传感器600波长λ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，槽14内光纤光栅温度传感器600波长λ_i与高精度铂电阻500温度值T_i；

8)对所有温度工况如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℃，槽14内光纤光栅温度传感器600波长λ_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_nλ_i ⁿ+k_n-1λ_i ^n-1+...+k₂λ_i ²+k₁λ_i+k₀；

9)如果在多个槽14内装有多个光纤光栅温度传感器600，则可以根据步骤2)～8)，同步获得多个光纤光栅温度传感器600的波长λ_i与高精度铂电阻500温度值T_i对应关系，完成多个光纤光栅温度传感器600在真空热环境下的全过程自动同步标定试验。

本发明的真空热环境下光纤光栅温度传感器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，-150℃～+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-150℃～+150℃温度范围内，温度的稳定性和均匀性，分别达到了±0.1℃和±0.5℃的水平，满足真空热环境下光纤光栅温度传感器温度标定使用要求，适用裸光纤光栅温度传感器及各种封装形式的光纤光栅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 (10)

1.真空热环境下光纤光栅温度自动标定系统，包括恒温装置、温度测控单元、上位机、光纤光栅解调仪，该恒温装置包括外筒、内筒、加热片以及高精度铂电阻温度传感器，外筒内外表面、内筒外表面均匀喷涂高发射率材料，内外筒绝热固定形成一个整体套筒结构，若干加热片粘贴在外筒外表面和内筒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、内筒外表面、内筒内表面以及内筒内槽中，内筒内槽沿纵向开设在内筒内壁上，加热片与高精度铂电阻温度传感器通过电缆分别连接到温度测控单元，温度测控单元通过网线与上位机进行通信连接，待标定的光纤光栅温度传感器设置在内筒内槽中，与高精度铂电阻温度传感器置于同一槽内，通过光缆连接到光纤光栅解调仪，标定试验前制定的温度标定工况表，温度测控单元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，给粘贴在恒温装置外筒外表面的加热片供电，控制外筒壁温度；温度测控单元测得设置在内筒外表面、内筒内表面的铂电阻温度数据，给粘贴在内筒外表面的加热片供电，控制内筒壁温度，外筒与内筒进行辐射换热，当内筒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，即认为内筒内槽已成为温度均匀场，光纤光栅解调仪记录下温度稳定时的光纤光栅波长，温度测控单元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，同一槽内光纤光栅波长与高精度铂电阻温度值对应关系，同步获得多个槽内光纤光栅波长与高精度铂电阻温度值对应关系，进行多个光纤光栅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，内筒设置有内筒顶部筒盖、内筒底部筒盖、内筒底部线束穿孔、内筒挂耳、内筒内槽、内筒顶部线束穿孔，内筒挂耳利用紧固螺栓固定内筒筒壁、内筒顶部筒盖和内筒底部筒盖，若干内筒内槽沿纵向开设在内筒内壁上。

3.如权利要求1所述的系统，其中，外筒设置有外筒顶部筒盖、外筒底部筒盖、外筒底部线束穿孔、外筒顶部线束穿孔、外筒顶部固定环、外筒底部固定环、外筒紧固螺栓，利用绝缘线束连接内筒挂耳与外筒紧固螺栓，向上旋转外筒顶部固定环与外筒底部固定环将绝缘线束拉紧，绝缘线束将外筒与内筒绝热连接固定形成一个整体套筒结构。

4.如权利要求1-3任一项所述的系统，其中，内外套筒选用导热好的材质制作，外筒内外表面、内筒外表面均匀喷涂高发射率材料或对其外筒内外表面、内筒外表面进行表面阳极化。

5.如权利要求4所述的系统，其中，导热好的材质为铝或铜材质；高发射率材料为黑漆。

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

7.如权利要求1-3任一项所述的系统，其中，内筒内壁开槽，开槽数量不限，槽宽为1～10mm，，槽间距为1～10mm。

8.如权利要求7所述的系统，其中，槽宽为2mm，槽间距为5mm。

9.如权利要求1-3任一项所述的系统，其中，外筒与内筒顶部、底部筒盖均留有线束穿孔，供电缆穿出恒温装置连接外部温控单元，供光缆穿出恒温装置连接外部光纤光栅解调仪。

10.利用权利要求1-9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T₀,T₀+ΔT,T₀+2ΔT,T₀+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，通过网线与温控单元通信，温控单元根据温度标定工况表，全过程自动测得安装在恒温装置外筒内表面的铂电阻温度数据，给粘贴在恒温装置外筒外表面的加热片供电，控制恒温装置外筒壁温度；温控单元测得安装在恒温装置内筒外表面、内筒内表面的铂电阻温度数据，给粘贴在恒温装置内筒外表面的加热片供电，控制恒温装置内筒壁温度，外筒与内筒进行辐射换热，当内筒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，即认为内筒内槽已经成为温度均匀场；

最后，将待标定的光纤光栅温度传感器设置在恒温装置内筒内槽与高精度铂电阻温度传感器置于同一槽内，处于同一温度均匀场，通过光缆连接到光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪记录下温度稳定时的光纤光栅波长，温控单元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i下，同一槽内光纤光栅波长与高精度铂电阻温度值对应关系，同步获得多个槽内光纤光栅波长λ_i与高精度铂电阻温度值T_i对应关系，完成多个光纤光栅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。