CN108278976B9 - 一种光纤传感器温度补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤传感器的温度补偿方法，属于光纤传感器检测领域。该方法的步骤为：1.在光纤光栅传感器边上安装温度传感器，将其监测的温度信号作为参考温度2.在频域内建立干扰光纤传感器的温度信号，测量信号和真实信号之间的关系式；3.参考实测的温度信号在频域内的能量分布范围设计滤波器的通带和阻带频率；4.基于建立的关系式和设计的滤波器参数，使用频域滤波的方法，从实测信号中剔除温度变化引起的干扰，实现光纤光栅传感器的温度补偿。本发明方法简单，从频域内剔除温度变化对测量结果的影响，精度高，误差小，避免了在时域中进行温度补偿时由于温度传感器和光纤光栅传感器温度场不同，感温速度不同等造成的误差。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器检测技术领域。
技术背景
光纤布拉格光栅(FBG)传感器是以光纤为载体实现物理量测量和传输的新型传感器，因其具有耐高压、抗电磁场干扰、绝缘性好、体积小、重量轻、对环境变化不敏感和灵敏度高、易于集成等诸多优点而在振动测试领域得到广泛的应用。
光纤光栅传感器是一种波长调制型光学传感器，有对待测量的探测和传输两种功能，它以光纤为传输介质，当光纤光栅所在环境参数发生变化时，光波的传输特性会随之改变，利用光纤光栅这一特性可以实现对温度、应力、振动、湿度等参数的测量。在实际工作中，光纤光栅传感器常暴露于温度变化的环境中，而光纤传感器的温度灵敏度系数较其它环境参数而言相对较大，这就导致温度成了影响FBG传感器测量精度的重要原因之一，尤其是在温度变化较大的环境中更为明显。
随着FBG传感器的广泛应用，人们对高精度、高效率、适用范围广的光纤光栅传感器的需求也更加迫切。为了补偿温度引起的FBG传感器中心波长的漂移以提高光纤光栅传感器的测量精度，国内外学者都做了大量的努力。目前，最常用的温度补偿方法是在用于测量的FBG 传感器边上串联一个温度传感器，并认为温度传感器测得的温度即FBG传感器的温度，通过减去温度传感器的温度，得到补偿后的测量信号。文献《Fiber optical sensor network embedded in a current collector for defect monitoring on railway catenary》、《An approach to continuous on-site monitoring of contact forces in current collectors by a fiber optic sensing system》和《Pantograph–catenary monitoring by means of fibre Bragg grating sensors:Results from tests in an underground line》中均有介绍。
但在实际环境中，温度传感器和FBG传感器很难保持在同一温度环境下，同时温度传感器和应变传感器的感温速度也存在差异，在温度变化较大的环境中很难做到精确补偿，而且封装传感器的基体的热胀冷缩也会引起光纤光栅中心波长的变化，造成测量误差。
现有已经公开的光纤光栅温度补偿方法或装置有：中国专利公开号CN 201510502899.1
《一种光纤传感系统温度补偿方法》公开了一种光纤传感系统温度补偿方法，该方法步骤为： 1.对光纤传感器进行温度标定，得到温度灵敏度系数kT1；2.对粘贴于待测件相同材料试件表面的光纤传感器进行温度标定，得到材料均匀膨胀系数kT2；3.对光纤传感器进行应变标定，得到应变灵敏度系数kε；4.对待测件进行应变、变形测量时，利用光纤应变传感器检测待测件所受到的应变，利用光纤温度传感器作为应变传感器的温度补偿，剔除均匀热膨胀的影响，得到有效的变形应变数据。
该方案的温度补偿方法利用温度传感器作为应变传感器的温度补偿，仅在均匀热膨胀环境中适用，而真实工况多为非均匀膨胀环境。因此，此方法适用范围有限，精度也不够高。
中国专利公开号CN 106679583A《一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器》公开了一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器，该光纤光栅应变传感器包括基片、光纤光栅和保护管套，基片包括应变感应区和温度补偿区，应变感应区和温度补偿区的材质相同且表面在同一水平面内且厚度不同；光纤光栅置于基片上，保护套管置于光纤光栅伸出基片的首末两端。通过应变感应区与温度补偿区的厚度不同，温度感应区光纤光栅不感受应力应变变化，将应变区感应到的温度效应减去温度补偿区的温度，即可解算出应变变化，实现温度补偿。
中国专利公开号CN 107202545A《一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器》公开了一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器，包括光纤光栅、基片、补偿块、固定块和推动机构；补偿块设置在基片的一端，转动机构一端固定在固定块上，另一端与补偿块铰接，光纤光栅通过固定块固定在基片上；基片上开设有导向滑槽，固定块能够在导向滑槽内滑动，带动推动机构沿光纤光栅设置方向移动。当环境温度发生变化时，补偿块发生热膨胀或热收缩进而传导至固定块，固定块能够在导向滑槽内发生滑动，导致光纤光栅固定点之间的距离发生变化，使得温度变化引起光纤光栅的反射中心波长的变化量与补偿块膨胀或收缩使光纤光栅固定点之间距离发生变化，从而引起光纤光栅的反射中心波长变化量大小相同、方向相反，两者可以抵消，使得光纤光栅的反射中心波长不受温度变化影响，仅取决于被测物的应变。
上述温度补偿方案和温度自补偿方案均利用了机械结构实现温度补偿，但使得光纤光栅测量系统变得复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤传感器的温度补偿方法，它能有效地解决受电弓滑板上的光纤光栅传感器的温度补偿问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种光纤传感器的温度补偿方法，
在频域内，光纤光栅传感器的实测信号λm(ω)既包含真实的应变信号λa(ω)还包含因温度波动ΔTr(ω)引起的干扰成分，因此有：
λa(ω)＝λm(ω)-kTs·ΔTr(ω) (1)
式中，kTs为交叉灵敏度系数；
在紧邻光纤光栅传感器的边上另外加贴一个温度传感器，在频域内，温度信号相较于应变信号，是绝对的低频成分，因此将监测到的温度信号作为实测信号的参考温度信号，参考温度传感器监测到的温度信号，参考实测的温度信号在频域内的能量分布范围设计相适配的高通滤波器，通带和阻带频率分别为：
式中：Ωsh为阻带频率；Ωph为通带频率；A(fi)为温度传感器监测到的温度信号温度信号在频率fi处的幅值；E为温度传感器监测到的温度信号的能量；
根据设计的高通滤波器，消除实测信号中因温度变化引起的干扰成分，从而得到真实的应变信号。
所述高通滤波器采用巴特沃斯滤波，或者是切比雪夫滤波滤波器。
本发明的有益效果是：
1、本发明的温度补偿方法测量精度高、设备简单，从频域出发避免了在时域中进行温度补偿时由于温度传感器和光纤光栅传感器温度场不同，感温速度不同等造成的误差。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
实施例
在电气化铁路中，车辆通过受电弓从接触网取流，而安装于受电弓滑板上的光纤应变传感器主要用于弓网系统的安全监测。车辆运行中，受电弓滑板的温度最高可达100摄氏度，温度变化会引起应变传感器测量值的漂移，影响传感器测量准确性。本方法适用于安装在受电弓滑板的光纤应变传感器：
1、在紧邻光纤光栅传感器的边上另外加贴一个温度传感器，将其监测到的温度信号作为实测的参考温度，由于温度随时间变化非常缓慢，在频域内表现为频率极低的信号，大约 0.01Hz以下。因此认为参考温度的频率值与光纤应变传感器的温度频率值相等。
2、在频域内，光纤光栅传感器的实测信号λm(ω)既包含真实信号λa(ω)还包含因温度波动ΔTr(ω)引起的干扰成分，因此有：
λa(ω)＝λm(ω)-kTs·ΔTr(ω) (1)
kTs——交叉灵敏度系数。真实的应变信号可以通过在频率内消除温度变化引起的干扰得到。
3、参考实测的温度信号在频域内的能量分布范围设计相适配的高通滤波器的通带频率Ωph和阻带频率Ωsh，以确保在频域内温度变化引起的干扰能被滤掉而真实的应变信号保留。
4、在频域内，温度信号相较于应变信号，是绝对的低频成分；基于此，根据实测的温度信号在频域内的能量分布范围，设计相适配的高通滤波器，能够消除实测信号中因温度变化引起的干扰，从而得到真实的应变信号。
本发明有效地解决了电气化铁路牵引机车车辆受电弓-接触网系统的检测问题，切实提高了电气化铁路运行安全。
Claims (2)
1.一种光纤传感器的温度补偿方法，其特征在于：
在频域内，光纤光栅传感器的实测信号λm(ω)既包含真实的应变信号λa(ω)还包含因温度波动ΔTr(ω)引起的干扰成分，因此有：
λa(ω)＝λm(ω)-kTs·ΔTr(ω) (1)
式中，kTs为交叉灵敏度系数；
在紧邻光纤光栅传感器的边上另外加贴一个温度传感器，在频域内，温度信号相较于应变信号，是绝对的低频成分，因此将监测到的温度信号作为实测信号的参考温度信号，参考温度传感器监测到的温度信号，参考实测的温度信号在频域内的能量分布范围设计相适配的高通滤波器，通带和阻带频率分别为：
式中：Ωsh为阻带频率；Ωph为通带频率；A(fi)为温度传感器监测到的温度信号在频率fi处的幅值；E为温度传感器监测到的温度信号的能量；
根据设计的高通滤波器，消除实测信号中因温度变化引起的干扰成分，从而得到真实的应变信号。
2.根据权利要求1所述的一种光纤传感器的温度补偿方法，其特征在于：所述高通滤波器采用巴特沃斯滤波滤波器，或者是切比雪夫滤波滤波器。
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