CN111693175A - 基于光纤光栅串测量空间温度场的方法、系统、装置及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光纤光栅串测量空间温度场的方法、系统、装置及介质，方法包括：根据待测量的空间的密闭空间大小，配置温度扫描装置的支撑架结构；在所述待测量的空间内配置温度扫描装置；在所述密闭空间外添加步进电机，通过所述步进电机控制所述温度扫描装置的运动；配置步进电机驱动装置和步进电机的速度反馈收集装置；配置光纤解调设备；配置嵌入式控制系统对所述待测量的空间进行温度测量；构建温度数据的三维图，并生成对应的温度场云图。本发明能够及时推断出温度分布的最高点和温度差值的变化，能够准确测量空间内部温度的均匀分布，可广泛应用于空间内温度场测量领域。

Description

基于光纤光栅串测量空间温度场的方法、系统、装置及介质

技术领域

本发明涉及空间内温度场测量领域，尤其是基于光纤光栅串测量空间温度场的方法、系统、装置及介质。

背景技术

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器属于光纤传感器的一种，其传感器原理是通过外界物理量对光纤布拉格波长的调制来获取该物理量的变化信息，因此，将光纤传感器贴附在物体的表面或预先埋入结构中可以实现对物体的温度直接测量。现有光纤传感器可将其贴敷在物体表面测量某一点的温度，对于体积较大的物体或者密闭空间，一般选择使用多点式的光纤传感器串来测量物体不同区域的温度，通过算法优化最终给出一个最具代表性的值。在温度分布极端的环境中，此方式合存在着一定的危险性，不能及时推断出温度分布的最高点和温度差值的变化，无法准确测量空间内部温度的均匀分布。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供基于光纤光栅串测量空间温度场的方法、系统、装置及介质，以更好地测量空间内部温度的均匀分布。

本发明的第一方面提供了基于光纤光栅串测量空间温度场的方法，包括：

根据待测量的空间的密闭空间大小，配置温度扫描装置的支撑架结构；

在所述待测量的空间内配置温度扫描装置；

在所述密闭空间外添加步进电机，通过所述步进电机控制所述温度扫描装置的运动；

配置步进电机驱动装置和步进电机的速度反馈收集装置；

配置光纤解调设备；

配置嵌入式控制系统对所述待测量的空间进行温度测量；

构建温度数据的三维图，并生成对应的温度场云图。

在一些实施例中，所述支撑架结构包括竖直支撑杆结构、横向支撑杆结构和水平支撑杆结构。

在一些实施例中，所述在所述待测量的空间内配置温度扫描装置，包括：

将所述温度扫描装置固定到所述竖直支撑杆结构、横向支撑杆结构和水平支撑杆结构上。

在一些实施例中，所述在所述密闭空间外添加步进电机，通过所述步进电机控制所述温度扫描装置的运动，包括：

通过步进电机的传动机构连接所述温度扫描装置；所述传动机构包括联轴器、传动轴和齿轮；

通过所述传动机构带动所述温度扫描装置在横向方向上运动。

在一些实施例中，所述配置步进电机驱动装置和步进电机的速度反馈收集装置，包括：

通过所述步进电机驱动装置收集外部脉冲信号，基于所述外部脉冲信号，通过所述步进电机驱动装置控制所述步进电机的运动速度；

通过所述速度反馈收集装置的编码器收集所述步进电机在运动过程中的速度和方向。

在一些实施例中，所述配置光纤解调设备，包括：

确定所述光纤解调设备的采样频率；

通过所述光纤解调设备收集光纤信号的光强；

将FBG串中的数据进行温度值转换。

在一些实施例中，所述构建温度数据的三维图，并生成对应的温度场云图，包括：

根据所述光纤解调设备收集的点式温度数据，对空白温度点进行填充；

根据所述点式温度数据和填充后的温度点，生成温度场云图；

根据所述温度场云图对空间温度场进行重构。

本发明的第二方面提供了一种基于光纤光栅串测量空间温度场的系统，包括：

光纤传感器温度场监测系统，用于构建温度数据的三维图，并生成对应的温度场云图；

电源单元，用于为主控制单元和速度控制单元提供工作电源；

主控制器单元，用于控制速度控制单元、反馈单元以及光纤解调设备，并用于与所述光纤传感器温度场监测系统实现数据通讯；

速度控制单元，用于根据主控制单元的控制信号确定步进电机的运动速度；

运动控制装置，用于根据速度控制单元确定的运动速度，控制步进电机的运动；

运动反馈装置，用于接收光纤传感器串机械控制结构装置的运动反馈信号；

反馈单元，用于将所述运动反馈装置接收到的运动反馈信号反馈至主控制器单元；

光纤解调设备，用于收集光纤信号的光强；

光纤传感器串机械控制结构装置，用于采集温度扫描装置的扫描信号。

本发明的第三方面提供了一种装置，包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储程序；

所述处理器用于根据所述程序执行如本发明第一方面所述的方法。

本发明的第四方面提供了一种存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行完成如本发明第一方面所述的方法。

本发明的实施例根据待测量的空间的密闭空间大小，配置温度扫描装置的支撑架结构；在所述待测量的空间内配置温度扫描装置；在所述密闭空间外添加步进电机，通过所述步进电机控制所述温度扫描装置的运动；配置步进电机驱动装置和步进电机的速度反馈收集装置；配置光纤解调设备；配置嵌入式控制系统对所述待测量的空间进行温度测量；构建温度数据的三维图，并生成对应的温度场云图。本发明能够及时推断出温度分布的最高点和温度差值的变化，能够准确测量空间内部温度的均匀分布。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的温度扫描装置示意图；

图2为本发明的温度扫描装置支撑架结构示意图；

图3为本发明的温度扫描装置测试结构示意图；

图4为本发明的温度扫描装置传感部件示意图

图5为本发明的系统结构框图；

图6为本发明的电源单元的电路原理图；

图7为本发明的主控制器单元的电路原理图。

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。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于光纤光栅串测量空间温度场的方法，包括以下步骤：

S1、根据待测量的空间的密闭空间大小，配置温度扫描装置的支撑架结构；

具体地，本实施例的支撑架结构包括竖直支撑杆结构、横向支撑杆结构和水平支撑杆结构。

S2、在所述待测量的空间内配置温度扫描装置；

具体地，本实施例将所述温度扫描装置固定到所述竖直支撑杆结构、横向支撑杆结构和水平支撑杆结构上。

S3、在所述密闭空间外添加步进电机，通过所述步进电机控制所述温度扫描装置的运动；

具体地，本实施例通过步进电机的传动机构连接所述温度扫描装置；所述传动机构包括联轴器、传动轴和齿轮；接着，通过所述传动机构带动所述温度扫描装置在横向方向上运动。

S4、配置步进电机驱动装置和步进电机的速度反馈收集装置；

具体地，本实施例通过所述步进电机驱动装置收集外部脉冲信号，基于所述外部脉冲信号，通过所述步进电机驱动装置控制所述步进电机的运动速度；接着，通过所述速度反馈收集装置的编码器收集所述步进电机在运动过程中的速度和方向。

S5、配置光纤解调设备；

具体地，本实施例确定所述光纤解调设备的采样频率；通过所述光纤解调设备收集光纤信号的光强；并将FBG串中的数据进行温度值转换。

S6、配置嵌入式控制系统对所述待测量的空间进行温度测量；

S7、构建温度数据的三维图，并生成对应的温度场云图。

具体地，本实施例根据所述光纤解调设备收集的点式温度数据，对空白温度点进行填充；根据所述点式温度数据和填充后的温度点，生成温度场云图；根据所述温度场云图对空间温度场进行重构。

下面详细说明本发明的光纤光栅串测量空间温度场的系统的实施步骤。

如图5所示，本发明的光纤光栅串测量空间温度场的系统包括：

光纤传感器温度场监测系统，用于构建温度数据的三维图，并生成对应的温度场云图；

电源单元，用于为主控制单元和速度控制单元提供工作电源；

本实施例的电源单元可采用如图6所示的电路原理图来实现，其中，该电源单元的输入电源为220V，输出电源包括：12V，用于光纤解调仪、步进电机驱动供电；5V，用于部分传感器信号电源；3.3V，用于核心控制MCU及周边电路供电。

主控制器单元，用于控制速度控制单元、反馈单元以及光纤解调设备，并用于与所述光纤传感器温度场监测系统实现数据通讯；

本实施例的主控制器单元可采用如图7所示的电路原理图来实现，其中，图7所示的主控制MCU采用STM32F407VET6。本实施例的接口电路包括：串口、485端口、LED指示电路、时钟电路、boot启动电路、复位电路。本实施例的驱动电路包括两路步进电机驱动电路。

速度控制单元，用于根据主控制单元的控制信号确定步进电机的运动速度；

运动控制装置，用于根据速度控制单元确定的运动速度，控制步进电机的运动；

运动反馈装置，用于接收光纤传感器串机械控制结构装置的运动反馈信号；

反馈单元，用于将所述运动反馈装置接收到的运动反馈信号反馈至主控制器单元；

光纤解调设备，用于收集光纤信号的光强；

光纤传感器串机械控制结构装置，用于采集温度扫描装置的扫描信号。

实施方式如下：

步骤1：设计了温度扫描装置传感部件，每一根金属管封装有9个光纤光栅传感器，附图4中，局部视图A为其中一个光纤光栅传感器位置，需要在对应位置切割如局部视图中的矩形槽401，以封装光纤光栅传感器。

步骤2：根据封闭内部空间大小，设计了温度扫描装置支撑架结构示意图，如图1和图2所示，分别包括：竖直支撑杆1、横向支撑杆2、水平支撑杆结构3。温度扫描装置101的传感部件可以稳定的固定到三个支撑杆上，保证在步进电机驱动下可以稳定运行。

步骤3：在密闭空间外添加了和温度扫描装置传感部件连接的步进电机，如图3所示，步进电机通过联轴器、传动轴、齿轮和温度扫描装置传感部件连接，步进电机运动的过程中可以通过传动机构带动扫描装置传感部件在横向方向上运动。图3中的附图标记的含义如下：4代表金属管封装的光纤光栅传感器；5代表传感器支架；6代表齿条；7.代表齿轮；8代表传动轴；9代表联轴器；10代表步进电机；11代表步进电机支撑架；12代表步进电机支撑架锁紧螺母；13代表直线导轨底座；14代表直线导轨；15代表滑块；16代表齿条支撑板。通过本实施例的温度扫描装置，能够获取空间内的温度数据。

步骤4：制作步进电机驱动装置和步进电机速度反馈收集装置，步进电机驱动装置主要用来控制步进电机运动的速度，主要采用单轴的运动控制卡，通过外部脉冲信号控制步进电机的速度和方向。步进电机速度反馈收集装置主要使用编码器来收集步进电机在运动过程中所运动的转速，作为一个重要依据，该参数将会传送到嵌入式控制平台单元中。

步骤5：制作光纤解调设备，主要实现光纤信号的光强和不同频率信号的收集，将对应FBG串中的数据进行温度值转换，该部分的采样频率受到嵌入式系统和温度场监测软件的控制。

步骤6：制作嵌入式控制系统，该硬件控制系统主要采用主流的ARM控制器+实时操作系统的方式来对扫描装置传感部件结构进行精确控制。嵌入式控制系统主要负责输出多路PWM脉宽调试波和收集编码器的具体参数，保证扫描装置传感部件结构在空间内部做正确的机械运动。如图5中，嵌入式系统还要收集光纤解调设备的各个点的温度数据。最后，通过总线的方式将处理的所有数据发送给温度场监测软件。

步骤7：实现嵌入式硬件系统和温度场监控软件之间的通讯，该设计方案，如图5所示，主要设计了三种通讯方式：RS232、RS485、网口。对于要求低速稳定可靠的需求，可以使用RS232和RS485串口模式，对于高速设备需求，可以采用网口TCP/IP通讯。

步骤8：温度场监控软件对温度数据的三维重构与实时显示，从解调设备中收集的很多点式温度数据，可以通过适合的优化算法(拟合、插值)对空白处温度点进行填充，最后可生成温度场云图。最终根据运动的速度和周期运动的时间完成对空间温度场的重构。

另外，本发明采用了ARM架构MCU STM32F407，MCU主要负责驱动运动控制卡，进一步驱动光纤传感器机械结构中的电机。MCU收集光纤传感器电机的具体运动情况，编码器作为传感器反馈信号，进一步保证输出光纤传感器电机的精度。MCU与光纤解调设备进行通讯，从解调仪设备中读取每一个通道上的温度-波长数据。MCU需要和温度场监测软件系统进行数据通讯，接口一般采用RS232、RS485、CAN、以太网口等进行数据通讯，嵌入式系统作为整个测量空间温度场的桥梁，起到了至关重要的作用。

光纤解调设备装置，主要负责将传感器设备部分输出的光纤传感器的不同频率成分光强信号转为温度的值，解调的过程中可以通过嵌入式采集控制系统来设置解调仪的分辨率，当传感器机械部分在空间内部做周期运动时，解调设备可以周期间隔向嵌入式系统传输个点的温度的有效数据值，光纤解调设备装置作为光信号与电信号之间的转换桥梁，也起到了至关重要的作用。

温度场监测软件系统主要将接收的点式温度数据进行加工、处理、拟合、优化等操作，最终以温度场云图的形式展示出来，软件监测系统主要分为四大部分：信号采集部分、数据处理与转换部分、数据的存储部分、报警与提示部分。其中信号采集部分主要和嵌入式收集系统进行总线通讯(常使用TCP/IP)，实时传输解调设备输出的具体位置和对应时刻的温度数据值。数据处理部分对收集的温度数据进行分组，归类，将在一个周期内移动的温度点数据按照位置进行拟合、优化，最终以三维云图的形式展示出来。数据存储部分主要是将每一个周期运动的温度点数据、拟合的面温度场数据保存到对应的数据库中，方便用户查看。报警与提示部分主要对于检测点温度过高或者过低，与设定的阈值差别较大时可以触发报警机制，报警的数据值会单独存储，方便用户快速查阅相关原因。

本发明还提供了一种装置，包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储程序；

所述处理器用于根据所述程序执行如本发明第一方面所述的方法。

本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行完成如本发明第一方面所述的方法。

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，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。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

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 (10)

1.基于光纤光栅串测量空间温度场的方法，其特征在于，包括：

根据待测量的空间的密闭空间大小，配置温度扫描装置的支撑架结构；

在所述待测量的空间内配置温度扫描装置；

在所述密闭空间外添加步进电机，通过所述步进电机控制所述温度扫描装置的运动；

配置步进电机驱动装置和步进电机的速度反馈收集装置；

配置光纤解调设备；

配置嵌入式控制系统对所述待测量的空间进行温度测量；

构建温度数据的三维图，并生成对应的温度场云图。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅串测量空间温度场的方法，其特征在于，所述支撑架结构包括竖直支撑杆结构、横向支撑杆结构和水平支撑杆结构。

3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅串测量空间温度场的方法，其特征在于，所述在所述待测量的空间内配置温度扫描装置，包括：

将所述温度扫描装置固定到所述竖直支撑杆结构、横向支撑杆结构和水平支撑杆结构上。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅串测量空间温度场的方法，其特征在于，所述在所述密闭空间外添加步进电机，通过所述步进电机控制所述温度扫描装置的运动，包括：

通过步进电机的传动机构连接所述温度扫描装置；所述传动机构包括联轴器、传动轴和齿轮；

通过所述传动机构带动所述温度扫描装置在横向方向上运动。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅串测量空间温度场的方法，其特征在于，所述配置步进电机驱动装置和步进电机的速度反馈收集装置，包括：

通过所述步进电机驱动装置收集外部脉冲信号，基于所述外部脉冲信号，通过所述步进电机驱动装置控制所述步进电机的运动速度；

通过所述速度反馈收集装置的编码器收集所述步进电机在运动过程中的速度和方向。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅串测量空间温度场的方法，其特征在于，所述配置光纤解调设备，包括：

确定所述光纤解调设备的采样频率；

通过所述光纤解调设备收集光纤信号的光强；

将FBG串中的数据进行温度值转换。

7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅串测量空间温度场的方法，其特征在于，所述构建温度数据的三维图，并生成对应的温度场云图，包括：

根据所述光纤解调设备收集的点式温度数据，对空白温度点进行填充；

根据所述点式温度数据和填充后的温度点，生成温度场云图；

根据所述温度场云图对空间温度场进行重构。

8.基于光纤光栅串测量空间温度场的系统，其特征在于，包括：

光纤传感器温度场监测系统，用于构建温度数据的三维图，并生成对应的温度场云图；

电源单元，用于为主控制单元和速度控制单元提供工作电源；

主控制器单元，用于控制速度控制单元、反馈单元以及光纤解调设备，并用于与所述光纤传感器温度场监测系统实现数据通讯；

速度控制单元，用于根据主控制单元的控制信号确定步进电机的运动速度；

运动控制装置，用于根据速度控制单元确定的运动速度，控制步进电机的运动；

运动反馈装置，用于接收光纤传感器串机械控制结构装置的运动反馈信号；

反馈单元，用于将所述运动反馈装置接收到的运动反馈信号反馈至主控制器单元；

光纤解调设备，用于收集光纤信号的光强；

光纤传感器串机械控制结构装置，用于采集温度扫描装置的扫描信号。

9.一种装置，其特征在于，包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储程序；

所述处理器用于根据所述程序执行如权利要求1-7中任一项所述的方法。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行完成如权利要求1-7中任一项所述的方法。

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