CN110390133B - 一种温度场数据重构方法、系统及存储介质 - Google Patents

一种温度场数据重构方法、系统及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种温度场数据重构方法、系统及存储介质，方法包括：利用MATLAB工具的螺旋线函数方程将原始数据绘制成螺旋线；通过MATLAB工具中的meshgrid函数对螺旋线进行网格划分，得到坐标集合；通过MATLAB工具中的griddata函数对原始数据进行拟合处理；根据拟合处理的结果，对坐标集合进行插值处理；通过MATLAB工具中的surf函数对插值处理后的数据进行温度场的重建。本发明突破了在温度分析中的关键点时域曲线描述方式，通过温度场来展示结果，更加直观；另外，与现有技术中通过关键点监测并用曲线来展示监测效果相比，本发明的监测点涵盖面更为广泛和直观，可广泛应用于光纤温度监测技术领域。

Description

一种温度场数据重构方法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及光纤温度监测技术领域，尤其是一种温度场数据重构方法、系统及存储介质。
背景技术
通过温度传感器，如热敏电阻、热电偶、光纤传感器等可以实现对温度的监测。热敏电阻采用用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低，温度变化会造成大的阻值改变。热电偶是温度的测量中最常用的温度传感器，热电偶由在一端连接的两条不同金属线构成，当热电偶一端受热时，热电偶电路中会产生电势差，利用测量的电势差来计算温度。光纤上温度的变化会导致光纤特性的改变，从而使得光纤中传输的光波发生散射。通过检测系统检测光波的变化，从而实现对温度的测量。
分布式光纤测温技术是一种新型的测温技术，具有测温准确，不受电测波干扰的优点。分布式光纤温度传感器是一种连续性温度传感介质，通过一定时间间隔进行采样可以获取整条光纤上的温度数据，从而实现大范围的测量，克服了点式传感器采集数据有限，易漏检，无法全面反映监测对象特征的缺点。但是，现有商业仪器所测数据通常横坐标为时间，纵坐标为所测物理量，不能直接与实测对象几何机构的空间位置建立一一对应的关系，因此会失去数据的直观性，数据的涵盖面也会大大减少，并不能涉及周边区域的变化情况，因此对数据进行重构，显得极其有必要。
公开号CN 107356243 A发明专利公开了一种基于光纤光栅传感的支架运行姿态在线检测方法，该方法通过在液压支架布置压力、倾角、位移光纤光栅传感器，来获取支架关键部位的变化情况，经过解调仪解调成数字信号传输至计算机系统进行分析，即时掌握支架运行姿态。该方法监测精度高，抗干扰能力强，复用率高，但该方法只是对关键点进行监测，数据涵盖面较少。公开号CN108547203 A发明专利公开了一种基于OFDR的沥青路面变形监测系统及使用方法，该方法在土工格栅采用S型布置分布式光纤，使用数据采集仪进行数据的实时采集和传输，通过数据处理系统获取沥青路面的温度、应变变化情况，该方法环境适应能力强，数据采集较全面，但对于数据的显示仍通过对关键点数据进行处理，得到应力应变曲线的方式来完成，数据涵盖面较广，但数据展示面仍较为狭窄。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种直观且数据涵盖面广的温度场数据重构方法、系统及存储介质。
第一方面，本发明实施例提供了一种温度场数据重构方法，包括以下步骤：
利用MATLAB工具的螺旋线函数方程将原始数据绘制成螺旋线；
通过MATLAB工具中的meshgrid函数对螺旋线进行网格划分，得到坐标集合；
通过MATLAB工具中的griddata函数对原始数据进行拟合处理；
根据拟合处理的结果，对坐标集合进行插值处理；
通过MATLAB工具中的surf函数对插值处理后的数据进行温度场的重建。
进一步，所述利用MATLAB工具的螺旋线函数方程将原始数据绘制成螺旋线这一步骤中，所述螺旋线为任意可用函数方程表示的螺旋线。
进一步，所述通过MATLAB工具中的meshgrid函数对螺旋线进行网格划分，得到坐标集合这一步骤，包括以下步骤：
获取螺旋线上各个采样点的坐标值；
根据所述坐标值，获取横坐标区域对应的第一区域以及纵坐标区域对应的第二区域；
分别对第一区域和第二区域进行等分处理；
通过MATLAB工具中的meshgrid函数对等分处理的结果进行网格划分，得到坐标集合。
进一步，所述根据拟合处理的结果，对坐标集合进行插值处理这一步骤，其具体为：
通过非三角剖分方法计算坐标集合中各个坐标对应的Z轴坐标。
进一步，还包括以下步骤：
根据重建得到的温度场，通过调整时间参数获得不同时刻对应的温度场。
本发明实施例还提供了一种温度场数据重构系统，包括：
绘制模块，用于利用MATLAB工具的螺旋线函数方程将原始数据绘制成螺旋线；
网格划分模块，用于通过MATLAB工具中的meshgrid函数对螺旋线进行网格划分，得到坐标集合；
拟合模块，用于通过MATLAB工具中的griddata函数对原始数据进行拟合处理；
插值模块，用于根据拟合处理的结果，对坐标集合进行插值处理；
重建模块，用于通过MATLAB工具中的surf函数对插值处理后的数据进行温度场的重建。
进一步，所述网格划分模块包括：
坐标获取单元，用于获取螺旋线上各个采样点的坐标值；
区域获取单元，用于根据所述坐标值，获取横坐标区域对应的第一区域以及纵坐标区域对应的第二区域；
等分单元，用于分别对第一区域和第二区域进行等分处理；
网格划分单元，用于通过MATLAB工具中的meshgrid函数对等分处理的结果进行网格划分，得到坐标集合。
进一步，还包括：
动态调整模块，用于根据重建得到的温度场，通过调整时间参数获得不同时刻对应的温度场。
本发明实施例还提供了一种温度场数据重构系统，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的温度场数据重构方法。
本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的温度场数据重构方法。
上述本发明实施例中的一个或多个技术方案具有如下优点：本发明的实施例通过MATLAB工具绘制螺旋线，然后进行网格划分、拟合以及插值处理，最后重建得到温度场；本发明突破了在温度分析中的关键点时域曲线描述方式，通过温度场来展示结果，更加直观；另外，与现有技术相比，本发明的监测点涵盖面更为广泛且监测过程易于实现。
附图说明
图1为本发明的整体步骤流程图；
图2为本发明实施例的分布式光纤布置方式示意图；
图3为本发明实施例的步骤流程图；
图4为本发明实施例的阿基米德螺旋线的散点示意图；
图5为本发明实施例的CFRP钻削过程中温度场重构效果图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1，本发明实施例提供了一种温度场数据重构方法，包括以下步骤：
利用MATLAB工具的螺旋线函数方程将原始数据绘制成螺旋线；
通过MATLAB工具中的meshgrid函数对螺旋线进行网格划分，得到坐标集合；
通过MATLAB工具中的griddata函数对原始数据进行拟合处理；
根据拟合处理的结果，对坐标集合进行插值处理；
通过MATLAB工具中的surf函数对插值处理后的数据进行温度场的重建。
进一步作为优选的实施方式，所述利用MATLAB工具的螺旋线函数方程将原始数据绘制成螺旋线这一步骤中，所述螺旋线为任意可用函数方程表示的螺旋线。
其中，本实施例的螺旋线采用阿基米德螺旋线。
进一步作为优选的实施方式，所述通过MATLAB工具中的meshgrid函数对螺旋线进行网格划分，得到坐标集合这一步骤，包括以下步骤：
获取螺旋线上各个采样点的坐标值；
根据所述坐标值，获取横坐标区域对应的第一区域以及纵坐标区域对应的第二区域；
分别对第一区域和第二区域进行等分处理；
通过MATLAB工具中的meshgrid函数对等分处理的结果进行网格划分，得到坐标集合。
进一步作为优选的实施方式，所述根据拟合处理的结果，对坐标集合进行插值处理这一步骤，其具体为：
通过非三角剖分方法计算坐标集合中各个坐标对应的Z轴坐标。
进一步作为优选的实施方式，还包括以下步骤：
根据重建得到的温度场，通过调整时间参数获得不同时刻对应的温度场。
与图1的方法相对应，本发明实施例还提供了一种温度场数据重构系统，包括：
绘制模块，用于利用MATLAB工具的螺旋线函数方程将原始数据绘制成螺旋线；
网格划分模块，用于通过MATLAB工具中的meshgrid函数对螺旋线进行网格划分，得到坐标集合；
拟合模块，用于通过MATLAB工具中的griddata函数对原始数据进行拟合处理；
插值模块，用于根据拟合处理的结果，对坐标集合进行插值处理；
重建模块，用于通过MATLAB工具中的surf函数对插值处理后的数据进行温度场的重建。
进一步作为优选的实施方式，所述网格划分模块包括：
坐标获取单元，用于获取螺旋线上各个采样点的坐标值；
区域获取单元，用于根据所述坐标值，获取横坐标区域对应的第一区域以及纵坐标区域对应的第二区域；
等分单元，用于分别对第一区域和第二区域进行等分处理；
网格划分单元，用于通过MATLAB工具中的meshgrid函数对等分处理的结果进行网格划分，得到坐标集合。
进一步作为优选的实施方式，还包括：
动态调整模块，用于根据重建得到的温度场，通过调整时间参数获得不同时刻对应的温度场。
与图1的方法相对应，本发明实施例还提供了一种温度场数据重构系统，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的温度场数据重构方法。
上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
与图1的方法相对应，本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的温度场数据重构方法。
如图3所示，下面以利用分布式光纤对碳纤维增强复合材料(CFRP)钻削过程中的温度进行测量为例，参照图2中的分布式光纤布置方式，详细描述本发明一种温度场数据重构方法的具体实施方式：
S1、利用MATLAB绘制与数据采集方案相同布置的阿基米德螺旋线。本实施例中，阿基米德螺旋线的函数方程用极坐标可以表示为：
r＝a+bθ
其中，r表示极径；a表示起始光纤点距离原点的距离，即当光纤绕行角度为0时的极径长度；θ表示光纤的绕行角度；b表示光纤的曲率，具体表示每隔一个单位角度，径长的变化值。
在绘制阿基米德螺旋线时，应确保采样点等弧长分布。其中，相邻两点间的弧长即分辨率。对于等距螺旋线，设其两圈光纤之间的距离为d，则满足，
d＝b·2π
设光纤上每两个监测点的间距为k，螺旋线上第n个点到第n+1个点间的长度对应于极坐标内角度为θn到θn+1的螺旋线的一段弧长，弧长可以表示为：
Figure BDA0002094340680000061
对于光纤上的第一个点而言，n＝0，则由上式可知，
Figure BDA0002094340680000062
即有，
Figure BDA0002094340680000063
式中，除了θn，其余均为已知常数，n为光纤上总共测点个数。当需要建立n个点的相等间距螺旋线图时，需要建立一个矩阵为[0，1，2，…，n]的矩阵，根据上式关系，对应一个[θ0，θ1，…，θn]的矩阵，如图4所示，最终可以做出阿基米德螺旋线点的等弧线长度分布。
S2、在得到螺旋线上各采样点的坐标值(o,p)后，首先对(min(o)，max(o))之间的区域进行100等分，以及对(min(p)，max(p))范围内区域进行100等分，然后利用meshgrid进行网格划分，得到100×100个均布的X,Y坐标。
S3、利用MATLAB中的griddata函数对原始数据进行拟合，并通过二维插值的方法计算(X，Y)坐标点处的值Z，本实施例的插值方法采用非三角剖分的“V4”方法。
S4、采用surf函数对插值处理的数据进行温度场的重建，如图5所示，该温度场即能展示此时的温度分布情况。
S5、本实施例还能通过动态调整时间参数，得到不同时刻的温度分布情况。
综上所述，针对通过ANSYS仿真软件进行温度场仿真，或者对关键点进行监测以及温度分析的现有技术，本发明提出分布式二维螺旋线光纤传感器数据温度场重构方法，首先利用相关函数根据传感器的布置方式和分辨率绘制螺旋线，在螺旋线绘制中，要确保各采样点间间距相同，所以应依据弧长与角度之间的关系进行积分，解方程得到两点间弧长与监测点个数的关系，可以得到在确保相同弧长(点间隔)情况下角度的变化情况，依此进行真实螺旋线的MATLAB还原。然后利用meshgrid进行网格划分，划分过程中网格数不宜过小，否则在后续插值后会与真实情况有较大差别。接着利用griddata进行插值拟合，最后进行温度场的重构。
本发明采用分布式二维螺旋线光纤传感器数进行据温度场重构，突破了在温度分析中的关键点时域曲线描述方式，使结果更加直观，监测点的涵盖面更为广泛，与有限元仿真相比实现起来更加简单。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明并且采用方块图的形式举例说明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种温度场数据重构方法，其特征在于：包括以下步骤：
利用MATLAB工具的螺旋线函数方程将原始数据绘制成螺旋线，所述螺旋线为可用函数方程表示的阿基米德螺旋线；
通过MATLAB工具中的meshgrid函数对螺旋线进行网格划分，得到坐标集合；
通过MATLAB工具中的griddata函数对原始数据进行拟合处理；
根据拟合处理的结果，对坐标集合进行插值处理；
通过MATLAB工具中的surf函数对插值处理后的数据进行温度场的重建。
2.根据权利要求1所述的一种温度场数据重构方法，其特征在于：所述通过MATLAB工具中的meshgrid函数对螺旋线进行网格划分，得到坐标集合这一步骤，包括以下步骤：
获取螺旋线上各个采样点的坐标值；
根据所述坐标值，获取横坐标区域对应的第一区域以及纵坐标区域对应的第二区域；
分别对第一区域和第二区域进行等分处理；
通过MATLAB工具中的meshgrid函数对等分处理的结果进行网格划分，得到坐标集合。
3.根据权利要求1所述的一种温度场数据重构方法，其特征在于：所述根据拟合处理的结果，对坐标集合进行插值处理这一步骤，其具体为：
通过非三角剖分方法计算坐标集合中各个坐标对应的Z轴坐标。
4.根据权利要求1所述的一种温度场数据重构方法，其特征在于：还包括以下步骤：
根据重建得到的温度场，通过调整时间参数获得不同时刻对应的温度场。
5.一种温度场数据重构系统，其特征在于：包括：
绘制模块，用于利用MATLAB工具的螺旋线函数方程将原始数据绘制成螺旋线，所述螺旋线为可用函数方程表示的阿基米德螺旋线；
网格划分模块，用于通过MATLAB工具中的meshgrid函数对螺旋线进行网格划分，得到坐标集合；
拟合模块，用于通过MATLAB工具中的griddata函数对原始数据进行拟合处理；
插值模块，用于根据拟合处理的结果，对坐标集合进行插值处理；
重建模块，用于通过MATLAB工具中的surf函数对插值处理后的数据进行温度场的重建。
6.根据权利要求5所述的一种温度场数据重构系统，其特征在于：所述网格划分模块包括：
坐标获取单元，用于获取螺旋线上各个采样点的坐标值；
区域获取单元，用于根据所述坐标值，获取横坐标区域对应的第一区域以及纵坐标区域对应的第二区域；
等分单元，用于分别对第一区域和第二区域进行等分处理；
网格划分单元，用于通过MATLAB工具中的meshgrid函数对等分处理的结果进行网格划分，得到坐标集合。
7.根据权利要求5所述的一种温度场数据重构系统，其特征在于：还包括：
动态调整模块，用于根据重建得到的温度场，通过调整时间参数获得不同时刻对应的温度场。
8.一种温度场数据重构系统，其特征在于：包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-4中任一项所述的温度场数据重构方法。
9.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于：所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行如权利要求1-4中任一项所述的温度场数据重构方法。
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