CN112461406A - 一种基于光纤光栅式温度传感器的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于光纤光栅式温度传感器的标定方法，属于温度传感器标定技术领域。本发明实现方法为：对光纤光栅式温度传感器进行标定试验；标定试验数据处理，从数据算法上提高光纤光栅式温度传感器的测温精度；采用得到的标定曲线进行温度测量，与标准温度传感器示值相比，得到光纤光栅温度传感器的测量误差，通过减小测量误差提高光纤光栅式温度传感器测温能力的准确性。本发明能够解决多次循环标定过程中，由于温度加载装置的温场不均匀性和不稳定性，而造成的多次循环标定试验中标准温度传感器示值温度不统一问题，进而提高光纤光栅式温度传感器测温能力的准确性。

Description

一种基于光纤光栅式温度传感器的标定方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤光栅式温度传感器的标定方法，属于温度传感器标定技术领域。

背景技术

光纤光栅中心反射波长可表示为：

λ_B＝2n_effΛ (1)

式中：λ_B为光栅中心波长；n_eff为有效折射率；Λ为光栅周期。n_eff和Λ均受外界环境影响(温度、压力等)而发生变化，导致光纤光栅的反射波长发生移动温度变化引起的光纤光栅反射波长移动可表示为：

式中：

为光纤的热光系数，描述光纤折射率随温度的变化关系；

为光纤的热膨胀系数，描述光栅的栅距随温度的变化关系。从式(2)可以看出，Δλ_B与ΔT之间呈线性关系，通过测量光纤光栅反射波长的移动Δλ_B，便可以确定环境温度T。但实际应用中，光纤光栅反射波长与温度的线性拟合的曲线与标准温度传感器相比，测量误差较大。因此需要增加拟合曲线的修正项，以减小测量误差，提高传感器的测量精度。

标定温度传感器的方法可以分为两类:一是标准值法，是温度传感器同一次标准比较，将传感器置于这些标准温度值下，即按照国际计量委员会1968年通过的国际实用温标(IPTS)相比较，记录传感器相应温度值下示值，并利用IPTS规定的内插公式对温度传感器的分度进行对比记录，从而能完成对温度传感器的标定；二是温度传感器与某一已经标定的测温标准装置进行比较。常用的温度传感器的标定方法是把待测温度传感器与已被标定好的更高一级精度的温度传感器紧靠在一起，共同置于可调节的温度加载装置中，分别把温度加载装置调节到所选择的若干温度点，比较和记录两者的读数，获得一系列对应值，经多次温度循环测试，将标定值进行数据处理，就获得了待测温度传感器的标定曲线。

但在标定过程中，由于温度加载装置的温场不均匀性和不稳定性，而造成多次循环标定试验中标准温度传感器示值不统一的现象，会对数据处理造成困难，进而影响传感器标定曲线的准确性。

发明内容

为解决多次循环标定过程中，由于温度加载装置的温场不均匀性和不稳定性，而造成的多次循环标定试验中标准温度传感器示值温度不统一问题，本发明的目的提供一种基于光纤光栅式温度传感器的标定方法，能够提高光纤光栅式温度传感器测温能力的准确性。

本发明的目的是通过下述技术方法实现的：

本发明公开的一种基于光纤光栅式温度传感器的标定方法，包括如下步骤：

步骤一、光纤光栅式温度传感器标定。

步骤1.1：将标准温度传感器与光纤光栅式温度传感器放置于在温度加载装置中，确保两者处于同一等温线上，光纤光栅温度传感器连接解调仪表及计算机，标准温度传感器连接温度表；

步骤1.2：根据光纤光栅式温度传感器量程范围，设置m个标定温度点T₁、T₂…T_m，m为标点个数；

步骤1.3：在步骤步骤1.2的标定温度点下，记录标准温度传感器温度示值t_m与光纤光栅式温度传感器波长值λ_m。

步骤1.4：标定温度点T_m数据记录完后，传感器与温度加载装置自然降温至室温；

步骤1.5：重复步骤1.2、步骤1.3、步骤1.4，重复n次。

步骤二、数据处理。

步骤2.1：建立温度与波长值之间的函数关系：在n次标定试验中，以标定温度点下的标准温度传感器示值为横坐标，光纤光栅式温度传感器的波长值为纵坐标，运用多项式拟合的方法建立函数关系。经过n次标定试验，得到n个多项式函数：

λ₁＝a₁t²+b₁t+c₁；

λ₂＝a₂t²+b₂t+c₂；

…

λ_n＝a_nt²+b_nt+c_n；

式中：λ为光纤光栅式温度传感器的波长值，t为环境的温度值，n为标定试验循环次数。a_n、b_n、c_n为函数系数；

步骤2.2：将标定温度点T₁代入步骤步骤2.1中的n个函数中，得到n个相应函数下的光纤光栅式温度传感器的波长值：

标定点T₁代入λ₁＝a₁t²+b₁t+c₁，所得波长值记为λ_1T1；

标定点T₁代入λ₂＝a₂t²+b₂t+c₂，所得波长值记为λ_2T1；

…

标定点T₁代入λ_n＝a_nt²+b_nt+c_n，所得波长值记为λ_nT1。

步骤2.3：将标定温度点T₁在n个函数曲线中得到波长值取平均值，

步骤2.4：重复步骤步骤2.2和步骤2.3，得到m个标定温度点下的波长平均值；

步骤2.5：标定曲线：以各标定温度点T_m下对应的波长平均值

为横坐标，各标定温度点T_m为纵坐标，运用多项式拟合的方法建立函数关系，得到标定曲线为：λ＝dλ²+eλ+f；d、e、f为传感器标定曲线函数系数。

步骤三、采用步骤二得到的标定曲线进行温度测量，与标准温度传感器示值相比，得到光纤光栅温度传感器的测量误差，通过减小或消除测量误差提高光纤光栅式温度传感器测温能力的准确性。

按下式计算各检定点的温度测量误差：

Δt＝T′_t-T_t

式中：

Δt——光纤光栅温度传感器在检定点t℃时的温度测量误差，℃；

T′_t——光纤光栅温度传感器在检定点t℃时的测量值，℃；

T_t——标准温度传感器在检定点t℃时的示值，℃。

有益效果：

1、本发明公开的一种基于光纤光栅式温度传感器的标定方法，所涉及的传感器标定方法可解决多次循环标定过程中，由于温度加载装置的温场不均匀性和不稳定性，而造成的多次循环标定试验中标定点的温度不统一问题。

2、本发明公开的一种基于光纤光栅式温度传感器的标定方法，从数据算法上提高光纤光栅式温度传感器的测温精度。

3、本发明公开的一种基于光纤光栅式温度传感器的标定方法，采用得到的标定曲线进行温度测量，与标准温度传感器示值相比，得到光纤光栅温度传感器的测量误差，通过减小测量误差提高光纤光栅式温度传感器测温能力的准确性。

附图说明

图1为标定试验装置图；

图2为标定试验流程图；

图3为数据算法流程示意图；

图4为管式光纤光栅温度传感器5次标定试验函数曲线图，其中：图4(a)为第1次标定试验温度-波长函数曲线，图4(b)为第2次标定试验温度-波长函数曲线，图4(c)为第3次标定试验温度-波长函数曲线，图4(d)为第4次标定试验温度-波长函数曲线，图4(e)为第5次标定试验温度-波长函数曲线；

图5为管式光纤光栅温度传感器标定曲线。

具体实施方法

下面结合附图和实施例对本发明近一步详细说明：

实施例1

如图1、2所示，本实施例公开的一种基于光纤光栅式温度传感器的标定方法，具体实现步骤如下：

步骤一、光纤光栅式温度传感器标定。

待标定的光纤光栅式温度传感器为管式光纤光栅温度传感器，测温范围为20℃-650℃。

1)检查管式光纤光栅温度传感器的外观是否完好；

2)将管式光纤光栅温度传感器接入解调设备，操作解调软件，设置解调参数，确保管式光纤光栅温度传感器处于稳定状态；

3)根据管式光纤光栅温度传感的测温范围，标定温度点为20℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、650℃。

4)标定温度点为20℃时，采用一级铂电阻为标准温度传感器，恒温酒精槽作为温度加载装置；标定温度点为100℃时，采用一级铂电阻为标准温度传感器，恒温水槽作为温度加载装置；标定温度点为200℃时，采用一级铂电阻作为标准温度传感器，恒温油槽作为温度加载装置；标定温度点为300℃、400℃、500℃、600℃、650℃时，采用一级热电偶作为标准温度传感器，高温炉作为温度加载装置；

5)参照图1，将标准温度传感器与管式光纤光栅温度传感器根据标定温度点放置于步骤4)中的温度加载装置中，两者处于同一等温线上。

6)参照图2，启动步骤4)中的温度加载装置，当示值达到标定温度点时，根据加温装置的温度稳定性需要，保温30min，保证传感器测温环境到热平衡；记录标定温度点下标准温度传感器温度示值与光纤光栅温度传感器输出波长值；重复上述步骤5次，表1为管式光纤光栅温度传感器标定试验数据；

表1管式光纤光栅温度传感器标定试验数据

步骤二、数据处理。

7)参照图3，5次标定试验的标准温度传感器示值与管式光纤光栅温度传感器波长值运用多项式拟合的方法建立函数关系，得到5个多项式函数：

λ₁＝0.00000462t²+0.0105t+1,525.733；

λ₂＝0.00000489t²+0.0105t+1,525.724；

λ₃＝0.00000488x²+0.0104x+1,525.727；

λ₄＝0.00000487x²+0.0105x+1,525.726；

λ₅＝0.00000486x²+0.0105x+1,525.724。

函数曲线如图4所示：

8)参照图3，将标定点20℃代入λ₁＝0.00000462t²+0.0105t+1,525.733，得到λ_1，20℃＝1525.945nm；

代入λ₂＝0.00000489t²+0.0105t+1,525.724，得到λ_2，20℃＝1525.936nm；

代入λ₃＝0.00000488x²+0.0104x+1,525.727，得到λ_3，20℃＝1525.936nm；

代入λ₄＝0.00000487x²+0.0105x+1,525.726，得到λ_4，20℃＝1525.936nm；

代入λ₅＝0.00000486x²+0.0105x+1,525.724，得到λ_5，20℃＝1525.936nm；

9)参照图3，将步骤8)中的λ_1，20℃、λ_2，20℃、λ_3，20℃、λ_4，20℃、λ_5，20℃取平均值，即：

10)参照图3，重复步骤8)、步骤9)，得到各个标定温度下的波长值平均值，如表2所示。

表2各个标定温度下的波长值平均值

标定温度点(℃)	波长值平均值
		20	1525.939
100	1526.824
		200	1528.017
300	1529.306
		400	1530.692
500	1532.175
		600	1533.754
650	1534.579

11)参照图3，标定温度点t与波长平均值

二次项拟合，得到管式光纤光栅温度传感器的标定曲线：

t＝-1.855λ²+5,749.717λ-4,454,382.669，如图5所示。

步骤三、采用步骤二得到的标定曲线进行温度测量，与标准温度传感器示值相比，得到光纤光栅温度传感器的测量误差，通过减小或消除测量误差提高光纤光栅式温度传感器测温能力的准确性。

12)将管式光纤光栅温度传感器与标准温度传感器再次放置温度加载装置中。设置检定温度点为50℃、350℃、625℃，记录管式光纤光栅温度传感器在各检定温度点下的波长值，并将波长值代入标定曲线：t＝-1.855λ²+5,749.717λ-4,454,382.669，计算得到各点温度值，如表3所示：

表3各检定点下的波长值

标准温度传感器示值(℃)	波长值(nm)	计算温度值(℃)
			50.144	1526.265	50.7007
350.175	1529.990	350.2141
			625.177	1534.166	624.8418

13)按下式计算各检定点的温度测量误差：

Δt＝T′_t-T_t

式中：

Δt——光纤光栅式温度传感器在检定点t℃时的温度测量误差，℃；

T′_t——光纤光栅式温度传感器在检定点t℃时的测量值，℃；

T_t——标准温度传感器在检定点t℃时的示值，℃。

各检定点的温度测量误差如表4所示。

表4各检定点下的波长值

标准温度传感器示值(℃)	计算温度值(℃)	测量误差(℃)
			50.144	50.701	0.557
350.175	350.214	0.039
			625.177	624.842	-0.335

管式光纤光栅温度传感器经温度标定试验、数据处理，得到的标定曲线为：t＝-1.855λ²+5,749.717λ-4,454,382.669，最大温度测量误差为：0.557℃。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于光纤光栅式温度传感器的标定方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一、光纤光栅式温度传感器标定；

步骤1.1：将标准温度传感器与光纤光栅式温度传感器放置于在温度加载装置中，确保两者处于同一等温线上，光纤光栅温度传感器连接解调仪表及计算机，标准温度传感器连接温度表；

步骤1.2：根据光纤光栅式温度传感器量程范围，设置m个标定温度点T₁、T₂...T_m，m为标点个数；

步骤1.3：在步骤步骤1.2的标定温度点下，记录标准温度传感器温度示值t_m与光纤光栅式温度传感器波长值λ_m；

步骤1.4：标定温度点T_m数据记录完后，传感器与温度加载装置自然降温至室温；

步骤1.5：重复步骤1.2、步骤1.3、步骤1.4，重复n次；

步骤二、数据处理；

步骤2.1：建立温度与波长值之间的函数关系：在n次标定试验中，以标定温度点下的标准温度传感器示值为横坐标，光纤光栅式温度传感器的波长值为纵坐标，运用多项式拟合的方法建立函数关系；经过n次标定试验，得到n个多项式函数：

λ₁＝a₁t²+b₁t+c₁；

λ₂＝a₂t²+b₂t+c₂；

…

λ_n＝a_nt²+b_nt+c_n；

式中：λ为光纤光栅式温度传感器的波长值，t为环境的温度值，n为标定试验循环次数；a_n、b_n、c_n为函数系数；

步骤2.2：将标定温度点T₁代入步骤步骤2.1中的n个函数中，得到n个相应函数下的光纤光栅式温度传感器的波长值：

标定点T₁代入λ₁＝a₁t²+b₁t+c₁，所得波长值记为λ_1T1；

标定点T₁代入λ₂＝a₂t²+b₂t+c₂，所得波长值记为λ_2T1；

…

标定点T₁代入λ_n＝a_nt²+b_nt+c_n，所得波长值记为λ_nT1；

步骤2.3：将标定温度点T₁在n个函数曲线中得到波长值取平均值，

步骤2.4：重复步骤步骤2.2和步骤2.3，得到m个标定温度点下的波长平均值；

步骤2.5：标定曲线：以各标定温度点T_m下对应的波长平均值

为横坐标，各标定温度点T_m为纵坐标，运用多项式拟合的方法建立函数关系，得到标定曲线为：λ＝dλ²+eλ+f；d、e、f为传感器标定曲线函数系数；

步骤三、采用步骤二得到的标定曲线进行温度测量，与标准温度传感器示值相比，得到光纤光栅温度传感器的测量误差，通过减小或消除测量误差提高光纤光栅式温度传感器测温能力的准确性。

2.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅式温度传感器的标定方法，其特征在于：步骤三中，按下式计算各检定点的温度测量误差：

Δt＝T′_t-T_t

式中：

Δt——光纤光栅温度传感器在检定点t℃时的温度测量误差，℃；

T′_t——光纤光栅温度传感器在检定点t℃时的测量值，℃；

T_t——标准温度传感器在检定点t℃时的示值，℃。

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