CN112595440A - 一种用于光纤测温仪的光谱标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于光纤测温仪的光谱标定方法，解决现有光纤测温仪标定方式，标定速度慢，标定数据易干扰的问题。该方法包括步骤：1)将光纤测温仪外的标准光源接入光纤测温仪的待标定通道；光纤测温仪内的光谱采集模块探测标准光源的特征光谱曲线；选取至少2个谱线特征峰，得到谱线波长与像元的拟合方程；将标准测温探头置于恒温槽中并接入待标定通道，测量不同温度点对应的像元，根据拟合方程，建立待标定通道下温度T和波长λ₁的基础标定方程：T＝f(λ₁)；2)计算其余通道波长λ_i相对待标定通道波长λ₁ ^＇的波长差值△λ_i；3)根据基础标定方程和波长差值△λ_i，获得其余通道温度T和波长的标定关系：T＝f(λ_i‑△λ_i)。

Description

一种用于光纤测温仪的光谱标定方法

技术领域

本发明涉及一种光纤测温仪标定方法，具体涉及一种用于光纤测温仪的光谱标定方法。

背景技术

传统的光纤测温仪大多为强度解调型，即温度变化受光强影响，所以光纤测温仪在出厂前需要探测每个通道收到的信号强度大小，逐一做温度标定，根据每台产品(光纤测温仪)的每个通道及选定的光纤传感器，实测温度与每个通道的信号强度关系，选点记录实测温度与标准温度，再逐一标定，通过程序拟合每一台产品的特定温度曲线，实现精确测温；该标定点越精细，测温精度越高。但是每台产品的每一通道与光纤传感器一一对应，每台每通道均要做单独专门标定，标定速度慢，导致生产效率低。另外，由于传统的强度解调，标定数据与信号强度有一定相关性，因此易受光源电流、光纤弯曲扰动、光纤连接损耗等因素的影响，从而影响标定准确度，最终影响测温准确性。以及由于传统标定方法的前提条件是，通道与光纤传感器一一对应，因此在实际应用环境下，若某个通道的光纤出现损坏，更换新的光纤，势必会引起信号强度发生变化，造成该通道出现较大的温度误差，从而影响该通道的温度准确性，进而影响测温结果的准确性。

发明内容

为了解决现有光纤测温仪标定方式，由于每通道均要做单独专门标定，使得测温仪整体标定速度慢，标定数据易受光源电流、光纤弯曲扰动、光纤连接损耗等因素的影响，从而影响测温结果准确性的技术问题，本发明提供了一种用于光纤测温仪的光谱标定方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种用于光纤测温仪的光谱标定方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)获得基础标定方程

1.1)关闭光纤测温仪内的光源模块，将位于光纤测温仪外的标准光源接入光纤测温仪的待标定通道；

其中，待标定通道为光纤测温仪的任一通道；

1.2)光纤测温仪内的光谱采集模块探测标准光源的特征光谱曲线；

1.3)从特征光谱曲线中选取至少2个谱线特征峰，根据所选谱线特征峰的波长值及相应的像元，计算波长差值和像元差值，得到谱线波长与像元的拟合方程；

1.4)将标准测温探头置于恒温槽中，并接入步骤1.1)的待标定通道，以及关闭标准光源，打开光纤测温仪内的光源模块；

1.5)改变恒温槽温度，光谱采集模块测量不同温度点对应的像元，再根据拟合方程，将光谱采集模块输出的像元转换为波长信息，建立该待标定通道下温度T和波长λ₁的基础标定方程：T＝f(λ₁)；

2)获得波长差值

2.1)光谱采集模块获得在同一温度下所有通道的波长，所述待标定通道的波长记为λ₁＇，其余通道的波长记为λ_i，i＝2、3、……、m，m为光纤测温仪的通道数量；

2.2)计算其余通道波长λ_i相对于待标定通道波长λ₁＇的波长差值△λ_i，△λ_i＝λ_i-λ₁＇；

3)其余通道标定关系

根据基础标定方程和波长差值△λ_i，获得其余通道温度T和波长的标定关系：T＝f(λ_i-△λ_i)。

进一步地，步骤2.1)中，光谱采集模块获得在同一温度下所有通道的波长具体为：所有通道均安装标准测温探头，将所有标准测温探头置于同一恒温槽中，光谱采集模块获得所有通道的波长。

进一步地，步骤2.1)中，光谱采集模块获得在同一温度下所有通道的波长具体为：将一个标准测温探头置于恒温槽中，并依次接入所有通道，光谱采集模块依次采集在同一温度下每个通道的波长，获得所有通道的波长。

进一步地，其特征在于：步骤1.1)中，标准光源与待标定通道之间通过安装在待标定通道上的光纤连接器以及设置在光纤连接器和标准光源之间的光纤跳线实现相接。

进一步地，步骤1.1)中，所述标准光源为汞氩灯标准光源。

同时，本发明还提供了另外一种用于光纤测温仪的光谱标定方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)获得像元差值

1.1)光谱采集模块获得在同一温度下所有通道的像元，待标定通道的像元记为X₁＇，其余通道的像元记为X_i，i＝2、3、……、m，m为光纤测温仪的通道数量；

其中，待标定通道为光纤测温仪的任一通道；

1.2)计算其余通道像元X_i相对于待标定通道像元X₁ ^＇的像元差值△X_i，则△X_i＝X_i-X₁＇；

2)获得基础标定方程

2.1)关闭光纤测温仪内的光源模块，将位于光纤测温仪外的标准光源接入光纤测温仪的待标定通道；

2.2)光纤测温仪内的光谱采集模块探测标准光源的特征光谱曲线；

2.3)从特征光谱曲线中选取至少2个谱线特征峰，根据所选谱线特征峰的波长值及相应的像元，计算波长差值和像元差值，得到谱线波长与像元的拟合方程λ₁＝f(X₁)；

2.4)将标准测温探头置于恒温槽中，并接入步骤2.1)的待标定通道，以及关闭标准光源，打开光纤测温仪内的光源模块；

2.5)改变恒温槽温度，光谱采集模块测量不同温度点对应的像元，再根据拟合方程，将光谱采集模块输出的像元转换为波长信息，建立该待标定通道下温度T和波长λ₁的基础标定方程：T＝f(X₁)＝f(λ₁)。

进一步地，步骤1.1)中，光谱采集模块获得在同一温度下所有通道的波长具体为：所有通道均安装标准测温探头，将所有标准测温探头置于同一恒温槽中，光谱采集模块获得所有通道的波长。

进一步地，步骤1.1)中，光谱采集模块获得在同一温度下所有通道的波长具体为：将一个标准测温探头置于恒温槽中，并依次接入所有通道，光谱采集模块依次采集在同一温度下每个通道的波长，获得所有通道的波长。

进一步地，步骤2.1)中，标准光源与待标定通道之间通过安装在待标定通道上的光纤连接器以及设置在光纤连接器和标准光源之间的光纤跳线实现相接。

进一步地，步骤2.1)中，所述标准光源为汞氩灯标准光源。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明光谱标定方法记录的是光纤测温仪每个通道的信号落在光谱采集模块(光谱采集模块内的CCD探测器)上的位置信息，该信息与信号强度无关，仅仅与每个通道的信号落在CCD探测面上的位置相关，因此，不受外界光纤弯曲、连接器损耗等因素的影响，标定后的光纤测温仪测温结果可靠性高。

2、本发明光谱标定方法只需对每台光纤测温仪的一个通道进行标定，其他通道仅需获得相对该标定通道的波长位置差异，即完成其余通道的标定，无需光纤、通道一一对应标定，大大简化了标定步骤与流程，提升产品的生产效率。

3、本发明标定方法将特征信号转化为光谱信号，再采用光谱模块进行光谱信号采集，这样测温仪的强度信息转化为位置信息，即可通过光谱解调实现精确测温。光谱解调下的仪器测温性能与信号强度无关，仅仅与每个通道的信号落在CCD探测面上的位置相关，因此，在应用现场某通道光纤损坏，可任意更换新的光纤传感器。

4、本发明方法可通过多个标准测温探头一次获得所有通道波长，测量速度快；也可采用同一标准测温探头依次获得同一温度下每个通道的波长，采用同一个标准测温探头可避免多个标准测温探头自身加工差异带来测量误差，使得标定结果准确更高，进而使得光纤测温仪测温准确度越高。

附图说明

图1为本发明用于光纤测温仪的光谱标定方法中标准光源接入光纤测温仪待标定通道的示意图；

图2为本发明用于光纤测温仪的光谱标定方法实施例中标准光源特征峰对应关系示意图；

图3为本发明用于光纤测温仪的光谱标定方法实施例中光谱采集模块获得在同一温度下所有通道的波长示意图；

其中，附图标记如下：

1-电源，2-标准光源，3-光纤跳线，4-光纤连接器，5-Y型光纤耦合器，51-第一端口，52-第二端口，53-第三端口，6-光谱采集模块，61-公共端，7-CCD驱动电路板，8-光源模块，9-计算机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

目前，在分析测试类仪器领域，光谱信号解调应用十分广泛，光谱分析法以其独有的便捷性与快速性，逐步取代传统的化学检测法；另外，在工业领域，光谱分析以其特有的高精度性及稳定性，逐步取代传统式的测量方法。因此，针对于光纤测温仪，本发明采用光谱标定的方式设将特征信号通过光学系统先进行分光，转化为光谱信号，再采用微型光谱模块进行光谱信号采集。这样测温仪之前的强度信息转化为位置信息，即可通过光谱解调实现精确测温。

如图1所示，虚线方框内的光谱采集模块6、光源模块8、CCD驱动电路板7和并排设置的多个Y型光纤耦合器5为光纤测温仪主机系统内组成部分。光源模块8设有与Y型光纤耦合器5数量相等的输出端，每个Y型光纤耦合器5包括三个端口，分别为第一端口51、第二端口52和第三端口53，多个Y型光纤耦合器5的第一端口51分别与光源模块8的多个输出端一一对应连接，多个Y型光纤耦合器5的第二端口52共同接光谱采集模块6的公共端61，每个Y型光纤耦合器5的第三端口53用于与光纤探头连接，实现被测件的测温。

本实施例光纤测温仪的光谱标定方法，将标准光源2输出的标准谱线光信号经Y型光纤耦合器5传输至光谱采集模块6内部，最终成像在光谱采集模块6内部CCD探测器的靶面上；CCD探测器通过排线与CCD驱动电路板7连接，将采集到的特征光谱曲线通过CCD驱动电路板7的串口传输到计算机9，通过软件可识别谱线特征峰，对CCD探测器的像素横坐标做光谱波长标定，本实施例标定方法具体包括以下步骤：

1)获得基础标定方程

1.1)关闭光纤测温仪主机内部的光源模块8，主机未接光纤探头，定义光纤测温仪主机内任一通道为待标定通道，在该待标定通道上安装光纤连接器4，并将光纤连接器4和位于光纤测温仪外的标准光源2通过光纤跳线3相连；

其中，标准光源2为汞氩灯标准光源；通道为Y型光纤耦合器5所形成的信号传输通道，如图1所示，本实施例8个Y型光纤耦合器5为从左至右依次的第一、第二、……第八Y型光纤耦合器，即8个通道为从左至右依次的第一、第二、……第八通道，本实施例选择第一通道为待标定通道；

标准光源2和光纤测温仪主机内的CCD驱动电路板7通过各自的电压转换模块与电源1相连接，电源1为AC220V；

1.2)汞氩灯标准光源输出的标准谱线光信号，进入第一Y型光纤耦合器的第三端口53，并从第一Y型光纤耦合器的第二端口52进入光谱采集模块6内部，经过其内部光学系统分光，最终成像在CCD探测器的靶面上，光谱采集模块6将采集到的特征光谱曲线传输至CCD驱动电路板7，并通过CCD驱动电路板7的串口传输到计算机9(PC端)的上位机软件，获得标准光源2的特征光谱曲线；

1.3)上位机软件可显示出标准光源2的一系列特征峰，每一个特征峰(λ_1-1、λ_1-2......λ_1-n)有特定的波长值，软件采集识别每一个特征波长峰值对应的像素值(a、b......n)，如图2所示，示出7个特征峰(λ_1-1、λ_1-2......λ_1-7)，以及与7个特征波长峰值对应的7个像素值(a、b......g)，二者均为线性分布，通过一定的数学函数关系，可拟合出谱线波长与像元的关系式，具体为：从特征光谱曲线中选取距离足够远的至少2个谱线特征峰，根据所选谱线特征峰的波长值及相应的像元，计算波长差值和像元差值，得到谱线波长与像元的二元一次线性方程，即可将横坐标的像素值转换为波长值；

1.4)将标准测温探头置于恒温槽中，并接入步骤1)的待标定通道(第一Y型光纤耦合器的第二端口)，以及关闭标准光源2，打开光纤测温仪内部的光源模块8；

1.5)改变恒温槽温度，光谱采集模块6测量不同温度点对应的像元，再根据拟合方程，将光谱采集模块6输出的像元转换为波长信息，本实施例以第一通道为基准，仅采集第一通道的特征峰位置坐标进行标定，最终建立该待标定通道(第一通道)下温度T和波长λ₁的基础标定方程：T＝f(λ₁)；

2)获得波长差值

由于其余通道的成像位置相对第一通道固定不变，不随温度变化，因此可以将所有通道进行归一化；

2.1)光谱采集模块6获得在同一温度下所有通道的波长，具体为在所有通道上均安装标准测温探头，将所有标准测温探头置于同一恒温槽中，例如将恒温槽温度调为50°，一台八通道的光纤测温仪，八个光纤耦合器的第二端口52(信号采集端)合并为公共端61，整体成像于CCD探测面上，光谱采集模块6获得所有通道的波长，可实现一次获得所有通道的波长；如图3所示，①～⑧分别为光纤测温仪的8个通道，待标定通道的波长记为λ₁＇，其余通道的波长记为λ_i，i＝2、3、……、8，图3中仅示出第①、④、⑦通道的波长值；

2.2)由于其余通道相对于待标定通道(第一通道)存在安装位置差异，使得所有通道在CCD探测面上形成成像位置差异，计算其余通道波长λ_i相对于待标定通道波长λ₁＇的波长差值△λ_i：△λ_i＝λ_i-λ₁＇，根据该波长差值△λ_i可消除由于位置差异带来的波长差异；

3)其余通道标定关系

在其他不同温度下，理想状态波长差值△λ_i不随温度变化，虽然实际光学系统由于像差的存在，会存在一些微小的误差，根据实际测试，但其最终产生的温度偏差较小，是可以满足测试精度需求；根据光纤测温仪的测温原理，由于材料自身的特性，温度与材料吸收波长位置呈固定线性关系，因此，只要测出吸收波长的位置坐标，就可得出唯一温度值，根据基础标定方程和通道自身位置带来的波长差值△λ_i，即可获得其余通道温度T和波长的标定关系：T＝f(λ_i-△λ_i)，即其余通道测得的波长消除相对应波长差异，获得波长相对值：λ_i-△λ_i，可根据基础标定方程，获得波长相对值：λ_i-△λ_i，所对应的温度，即为被测件的温度。

经本实施例标定方法标定后的光纤测温仪，在使用标定通道进行测温时，光谱采集模块6采集该标定通道传输回的信号获得波长λ₁″，根据上述完成的温度T和波长λ₁基础标定方程T＝f(λ₁)，可获得该波长λ₁″对应的温度，即获得被测件的温度；在使用其余通道进行测温时，光谱采集模块6采集其余通道传输回的信号并获得相对应的波长λ_i″，该波长λ_i″减去该通道与标定通道的波长差值△λ_i，根据温度T和波长λ₁基础标定方程，可获得波长(λ_i″-△λ_i)对应的温度，即可获得相应通道测得被测件的温度。即第一通道(标定通道)进行温度测温时，将实际测得波长代入温度和波长的基础标定方程中，即可得到被测件的温度；其余通道进行测温时，将实际测得波长减去相对应通道的波长差值，所获得的波长值代入温度和波长的基础标定方程中，即可得到被测件的温度。

本实施例在获得谱线波长与像元的二元一次线性方程过程中，谱线特征峰所选的数量越多，谱线波长与像元的二元一次线性方程准确性越高，使得标定结果准确精度越高，进而使得光纤测温仪测温准确度越高。

本实施例光谱标定方法，将特征信号通过光学系统先进行分光，转化为光谱信号，再采用光谱模块进行光谱信号采集。这样测温仪的强度信息转化为位置信息，即可通过光谱解调实现精确测温。光谱解调下的仪器测温性能与信号强度无关，仅仅与每个通道的信号落在CCD探测器探测面上的位置相关，，光纤与通道无需一一对应。以及，应用现场某通道光纤损坏，可任意更换新的光纤传感器。本实施例光谱标定方法只需在出厂前对每一台仪器的CCD探测器做一次精确的光谱数据校验，并且可通过程序自动读取每个通道的信号位置差异，对位置差异进行归一化，即完成所有通道标定流程。相比于传统的强度解调型，极大地缩减了标定步骤与工作时间，提升产品效率，增强产品可靠性，方便使用。

相比传统标定方法，本实施例光谱标定方法记录的是测温仪每个通道的信号落在CCD探测器上的位置信息，该信息与信号强度无关，仅仅与每个通道的信号落在CCD探测面上的位置相关，因此，不受外界光纤弯曲、连接器损耗等因素的影响。提高了产品现场应用的可靠性。由于本实施例标定方法与信号强度无关，所以每台仪器只需要规定一个通道为基准，标定CCD的像素光谱坐标，其他通道相对基准通道，通过程序消除固定位置差异归一化即可。因此，出厂仪器无需光纤、通道一一对应标定，大大简化了标定步骤与流程，提升产品的出货效率。

实施例二

与实施例一不同之处在于，步骤2.1)中：在同一温度下，光谱采集模块6获得所有通道的波长具体为：将一个标准测温探头置于恒温槽中，并依次接入所有通道，光谱采集模块6依次采集在同一温度下每个通道的波长，获得所有通道的波长；采用同一个标准测温探头获得所有通道的波长，使所有通道波长数据准确高，可避免采用多个标准测温探头，由于标准测温探头自身加工差异带来测量误差，使得标定结果准确更高，进而使得光纤测温仪测温准确度越高。

实施例三

与实施例一不同之处在于：先获得通道间像元差值△X_i，归一化后，再获得基础标定方程:T＝f(X₁)＝f(λ₁)。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (10)

1.一种用于光纤测温仪的光谱标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获得基础标定方程

1.1)关闭光纤测温仪内的光源模块(8)，将位于光纤测温仪外的标准光源(2)接入光纤测温仪的待标定通道；

其中，待标定通道为光纤测温仪的任一通道；

1.2)光纤测温仪内的光谱采集模块(6)探测标准光源(2)的特征光谱曲线；

1.3)从特征光谱曲线中选取至少2个谱线特征峰，根据所选谱线特征峰的波长值及相应的像元，计算波长差值和像元差值，得到谱线波长与像元的拟合方程；

1.4)将标准测温探头置于恒温槽中，并接入步骤1.1)的待标定通道，以及关闭标准光源(2)，打开光纤测温仪内的光源模块(8)；

1.5)改变恒温槽温度，光谱采集模块(6)测量不同温度点对应的像元，再根据拟合方程，将光谱采集模块(6)输出的像元转换为波长信息，建立该待标定通道下温度T和波长λ₁的基础标定方程：T＝f(λ₁)；

2)获得波长差值

2.1)光谱采集模块(6)获得在同一温度下所有通道的波长，所述待标定通道的波长记为λ₁＇，其余通道的波长记为λ_i，i＝2、3、……、m，m为光纤测温仪的通道数量；

2.2)计算其余通道波长λ_i相对于待标定通道波长λ₁＇的波长差值△λ_i，△λ_i＝λ_i-λ₁＇；

3)其余通道标定关系

根据基础标定方程和波长差值△λ_i，获得其余通道温度T和波长的标定关系：T＝f(λ_i-△λ_i)。

2.根据权利要求1所述用于光纤测温仪的光谱标定方法，其特征在于：步骤2.1)中，光谱采集模块(6)获得在同一温度下所有通道的波长具体为：所有通道均安装标准测温探头，将所有标准测温探头置于同一恒温槽中，光谱采集模块(6)获得所有通道的波长。

3.根据权利要求1所述用于光纤测温仪的光谱标定方法，其特征在于：步骤2.1)中，光谱采集模块(6)获得在同一温度下所有通道的波长具体为：将一个标准测温探头置于恒温槽中，并依次接入所有通道，光谱采集模块(6)依次采集在同一温度下每个通道的波长，获得所有通道的波长。

4.根据权利要求1至3任一所述用于光纤测温仪的光谱标定方法，其特征在于：步骤1.1)中，标准光源(2)与待标定通道之间通过安装在待标定通道上的光纤连接器(4)以及设置在光纤连接器(4)和标准光源(2)之间的光纤跳线(3)实现相接。

5.根据权利要求4所述用于光纤测温仪的光谱标定方法，其特征在于：步骤1.1)中，所述标准光源(2)为汞氩灯标准光源。

6.一种用于光纤测温仪的光谱标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获得像元差值

1.1)光谱采集模块(6)获得在同一温度下所有通道的像元，待标定通道的像元记为X₁＇，其余通道的像元记为X_i，i＝2、3、……、m，m为光纤测温仪的通道数量；

其中，待标定通道为光纤测温仪的任一通道；

1.2)计算其余通道像元X_i相对于待标定通道像元X₁＇的像元差值△X_i，则△X_i＝X_i-X₁＇；

2)获得基础标定方程

2.1)关闭光纤测温仪内的光源模块(8)，将位于光纤测温仪外的标准光源(2)接入光纤测温仪的待标定通道；

2.2)光纤测温仪内的光谱采集模块(6)探测标准光源(2)的特征光谱曲线；

2.3)从特征光谱曲线中选取至少2个谱线特征峰，根据所选谱线特征峰的波长值及相应的像元，计算波长差值和像元差值，得到谱线波长与像元的拟合方程λ₁＝f(X₁)；

2.4)将标准测温探头置于恒温槽中，并接入步骤2.1)的待标定通道，以及关闭标准光源(2)，打开光纤测温仪内的光源模块(8)；

2.5)改变恒温槽温度，光谱采集模块(6)测量不同温度点对应的像元，再根据拟合方程，将光谱采集模块(6)输出的像元转换为波长信息，建立该待标定通道下温度T和波长λ₁的基础标定方程：T＝f(X₁)＝f(λ₁)。

7.根据权利要求6所述用于光纤测温仪的光谱标定方法，其特征在于：步骤1.1)中，光谱采集模块(6)获得在同一温度下所有通道的波长具体为：所有通道均安装标准测温探头，将所有标准测温探头置于同一恒温槽中，光谱采集模块(6)获得所有通道的波长。

8.根据权利要求6所述用于光纤测温仪的光谱标定方法，其特征在于：步骤1.1)中，光谱采集模块(6)获得在同一温度下所有通道的波长具体为：将一个标准测温探头置于恒温槽中，并依次接入所有通道，光谱采集模块(6)依次采集在同一温度下每个通道的波长，获得所有通道的波长。

9.根据权利要求6至8任一所述用于光纤测温仪的光谱标定方法，其特征在于：步骤2.1)中，标准光源(2)与待标定通道之间通过安装在待标定通道上的光纤连接器(4)以及设置在光纤连接器(4)和标准光源(2)之间的光纤跳线(3)实现相接。

10.根据权利要求9所述用于光纤测温仪的光谱标定方法，其特征在于：步骤2.1)中，所述标准光源(2)为汞氩灯标准光源。

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