CN113959602B - 一种光纤光栅高温传感器超量程使用的系数快速修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光纤光栅高温传感器超量程使用的系数快速修正方法。所述修正方法首先将光纤光栅高温传感器的初始标定点矩阵划分为若干个二维数组采用多项式拟合分别获取各光栅测点的初始温度系数，并通过实测温度、标准基准波长及拟合的公式计算出校正后的基准波长，构造新的拟合三次方程，然后按照初始标定点温度代入新拟合的三次方程中计算并推算出理论波长，得到基准修正点数组N，再配合进行少量的基于基准温度校正和自适应温度试验得到系数修正点矩阵S，并将数组N和点矩阵S进行加权合并运算得到自适应数组R，并拟合出修正后温度系数。本发明修正方法简单，且修正后数据准确，实现了提高传感器测量精度的目的。
Description
技术领域
本发明属于光纤温度监测领域，涉及一种光纤光栅高温传感器超量程使用的系数快速修正方法。
背景技术
光纤光栅(FBG)温度传感器自问世以来，以其结构紧凑、多点测量、抗电磁干扰、精度高、耐久性好，安装方式灵活，既可在结构件表面粘贴、焊接、压紧固定，也可在设备内部直接埋设等特点，已经广泛应用于核工业、电力系统、土木工程、化工、航空航天、医疗等领域。
FBG温度传感器工作机制是基于反射光中心波长与温度的接近于线性的关系，来实现温度的测量，目前工程化的应用大部分集中在-20～300℃温度范围的测量。随着飞秒光栅逐点刻写及金属化封装方式的技术革新，FBG高温传感器逐步被科研机构应用于300℃以上的高温环境，小部分可工程应用于 800℃以下的温度测量，但高于1000℃的温度测量几乎没有工程化的应用。除了受制于光纤涂覆层、FBG光栅刻写以及封装方式等带来的温度耐受性的限制外，工程应用中FBG高温传感器在结构件上进行表面粘贴或内部埋入安装以及尾纤接口密封过程中，铠装部分会经受1000℃以上的高温金属焊接考验，即使FBG高温传感器铠装内部的敏感光纤不会遭到直接破坏，但超量程使用将会导致FBG的波长温度系数出现一定偏差，使得传感器测量精度有所下降，另一方面由于传感器安装后不宜拆卸且结构体尺寸较大，因此对FBG高温传感器的波长温度系数进行再次标定变得较为困难且耗时，这是限制FBG高温传感器工程应用的主要难题。
发明内容
本发明针对FBG高温传感器在经受1000℃以上的高温金属焊接安装后的初始波长温度系数出现偏差的难题，提出了一种光纤光栅高温传感器超量程使用的系数快速修正方法，能够在传感器经受1000℃以上的高温金属焊接安装完成后，通过结构本体的升温试验，结合FBG温度传感器的初始温度波长系数，对测温区间内若干温度点进行波长修正，从而实现传感器系数的快速修正，达到提高测量精度的目的。
为了实现上述目的，本发明了一种光纤光栅高温传感器超量程使用的系数快速修正方法，所述修正方法包括以下步骤：
步骤1：确定光纤光栅高温传感器出厂的初始标定点矩阵M＝[λx,y,tx,y]，其中x代表光纤光栅高温传感器的光栅测点数量，Y代表各光栅测点进行初始标定时标定点的数量；tx,y表示索引x,y下的标定点所示温度，λx,y表示标定点所示温度tx,y对应条件下栅点反射波中心波长；将多维数组M按各光栅测点划分为若干个二维数组即对应波长温度点数组，取数组M中温度临近100℃值定义其波长为基准波长λ0x,1，以Δλx,y＝(λx,y’-λ0x,1)/λ0x,1*1000为自变量，温度tx,y为因变量，采用多项式拟合分别获取各光栅测点的初始温度系数ax,bx,cx,dx，其中ax为三次项系数，bx为二次项系数，cx为一次项系数，dx为常数项；
步骤2：记光纤光栅高温传感器在常压下沸水温度100℃时的标准基准波长为λx,1’，校正后的基准波长为λx,1，即得到标准基准波长与校正后的基准波长偏差Δλx＝λx,1’-λx,1；依据步骤1中的温度系数ax,bx,cx,dx与实测温度tx,1代入拟合的三次方程ax*Δλx,1 3+bx*Δλx,1 2+cx*Δλx,1+dx＝tx,1求实根，该实根记为kx，且满足关系式kx＝Δλx/λx,1*1000；再参考测定的标准基准波长为λx,1’计算出校正后的基准波长λx,1＝1000/(kx+1000)*λx,1’；
步骤3：依据步骤1中的温度系数ax,bx,cx,dx’及步骤2中计算出的校准后的基准波长λx,1构造修正后的基准温度波长关系曲线，然后按照初始标定点温度tx,y，代入新拟合的三次方程ax*Δλx,y 3+bx*Δλx,y 2+cx*Δλx,y+dx＝tx,y求其实根从而计算出基准修正后的相应波长偏差Δλx,y，再由等式Δλx,y＝(λx,y’-λx,1)/λx,1*1000推算出理论波长λx,y’，从而得到基准修正点数组 N＝[λx,y’,tx,y]；
步骤4：采用传感器温度自适应试验装置针对光纤光栅高温传感器进行温度自适应试验，收集传感器温度自适应试验装置中发热结构多次升温达到热平衡时记录的参考温度tx,z和波长λx,z，得到系数修正点矩阵S＝[λx,z,tx,z]，其中 z代表自适应修正试验次数；
步骤5：将步骤4中得到的系数修正点矩阵S＝[λx,z,tx,z]与步骤3中的基准修正点矩阵N＝[λx,y’,tx,y]进行加权合并运算，矩阵S加权比例应高于矩阵N，从而得到自适应矩阵R＝[λx,k,tx,k]，其中y≤k≤y+z；
步骤6：依据步骤5中的自适应数组R，按照光栅测点数量x划分为若干个二维矩阵，再采用梯度下降法三次拟合函数模型，分别获取各光栅测点的修正后温度系数ax’,bx’,cx’,dx’，得到波长—温度修正公式：ax’*Δλx,y 3+bx’ *Δλx,y 2+cx’*Δλx,y+dx’＝tx,y，其中Δλx,y＝(λx,y’-λx,1)/λx,1*1000。
本发明进一步的技术方案：所述步骤1中X取值1～20；Y依据传感器检定规范要求取值6～12之间的整数；
本发明进一步的技术方案：所述步骤4中的传感器温度自适应试验装置包括光纤解调仪、发热结构和配套设置的供电系统、监测系统、保温及冷却系统；所述发热结构包括试验待测的发热构件或由发热构件组成的发热装置，所述光纤光栅高温传感安装在发热结构的表面或内部，并通过安装接口与光纤解调仪连接，所述光纤解调仪用于实时采集光纤光栅高温传感器反射光中心波长值，并显示温度测量结果。
本发明进一步的技术方案：所述步骤4中得到系数修正点矩阵S＝[λx,z,tx,z] 的具体过程时，通过对传感器温度自适应试验装置的发热结构升温加热，当其达到热平衡的时候进行保温，记录此时的参考温度tx,z和波长λx,z，然后再加大发热结构继续升温，再次达到热平衡的时候进行保温和记录温度与波长数据，并在完成若干次温度自适应试验后，将得到系数修正点矩阵S＝[λx,z,tx,z]，其中z取值3～7。
本发明较优的技术方案：所述步骤4中的光纤光栅高温传感器为金属管和保护性气体密闭封装的单点或阵列飞秒光栅传感器，其测量段铠管采用金属焊接方式固定在传感器温度自适应试验装置的发热结构本体表面或埋入内部，其焊接温度一般超过1000℃。
本发明较优的技术方案：所述发热构件包括发热板、发热棒、发热管或发热罐体中的任意一种或几种组合；所述安装接口为发热结构内部探测器与外界信号监测设备的传输接口，采用法兰盘结构，其上设置有安装通孔；所述光纤光栅高温传感器的测量段铠管穿过法兰盘的安装通孔，并采用金属焊接方式固定在法兰盘通孔上；
本发明较优的技术方案：所述光纤解调仪采用多通道光纤光栅光谱分析仪，用于实时采集光纤光栅高温传感器反射光中心波长值，并通过软件处理显示温度测量结果。
本发明较优的技术方案：所述光纤光栅高温传感器的光接口连接至光纤解调仪的光接口，采用FC/APC接口类型。
本发明的有益效果是：该方法的系数修正快速有效，采用矩阵加权合并、拟合等计算方式，取用原标定基准附近初始拟合效果理想的数据，再配合进行少量的基于基准温度校正和自适应温度试验，分别对初始温度波长系数进行调整，从而实现提高传感器测量精度的目的。此外，该方法无须增加额外试验条件，仅在结构本体上开展自适应温度试验即可完成系数修正。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
图2为本发明中传感器温度自适应试验装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中温度波长曲线图；
图中：1—加热结构，2—光纤光栅高温传感器，3—安装接口，4—解调仪。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例中的传感器温度自适应试验装置，如图2所示包括加热结构1，光纤光栅高温传感器2、安装接口3和光纤解调仪4。所述光纤光栅高温传感器 2为金属管和保护性气体密闭封装的单点或阵列飞秒光栅传感器，其测量段铠管采用金属焊接方式固定在加热结构1表面或埋入内部，其焊接温度一般超过1000℃。所述加热结构1主要是试验待测的结构件，可以是发热板、棒、管或罐体等，也可以是各种构件形成的装置，通常还包括配套的供电、监测系统，保温或冷却等设施。所述安装接口3为加热结构1内部探测器与外界信号监测设备的传输接口，一般采用法兰盘结构，其上设置有安装通孔。所述光纤光栅高温传感器2测量段铠管穿过安装通孔，然后采用金属焊接方式固定在法兰盘通孔上。所述光纤解调仪4为多通道光纤光栅光谱分析仪，用于实时采集光纤光栅高温传感器反射光中心波长值，并通过软件处理显示温度测量结果。所述光纤光栅高温传感器2的光接口连接至光纤解调仪4的光接口，一般采用FC/APC接口类型。
实施例中传感器温度自适应试验装置中加热结构1主板部分为长条形不锈钢薄板，其长度、宽度和厚度分别为2.1m、0.2m、0.005m，沿着薄壁板长度方向分别开设有四条孔径为1mm的光纤光栅高温传感器2测量通道。
实施例中的光纤光栅高温传感器2选用15个FBG测点的光纤光栅高温传感器阵列，每个FBG测点间隔50mm；FBG采用飞秒激光逐点直写技术制作；光纤光栅高温传感器2采用外径0.8mm不锈钢管封装，内部充有保护性气体，不锈钢管封装长度为2.5m；4只光纤光栅高温传感器2分别嵌入结构本体1 主板的四条测量通道里，然后采用氩弧焊方式，其瞬时焊接温度超过1200℃，完成光纤光栅高温传感器2的埋入式安装；安装接口3为直径200mm，厚度20mm的不锈钢法兰盘，在法兰盘中心开设有3.5mm的安装通孔，将光纤光栅高温传感器2铠管外部套设3mm的加固不锈钢管后，再穿过法兰盘安装通孔，然后采用氩弧焊焊接固定。
实施例中的光纤解调仪采用8通道、光谱范围1510～1595nm、波长精度±2pm的光纤光栅解调仪，可对4只15测点的光纤光栅高温传感器2的波长信号进行实时测量。
实施例1提供的一种光纤光栅高温传感器超量程使用的系数快速修正方法，如图1所示，其流程主要包括以下步骤：
步骤1：依据光纤光栅高温传感器2出厂的初始标定点数组MX,Y＝[λx,y,tx,y]，如图3表中所示，其中tx,y表示标定点温度，λx,y表示标定温度对应的波长；X 代表FBG高温传感器的光栅测点数量，Y代表各光栅测点初始标定时包含点的数量，通常依据传感器检定规范要求取值，取值为11；tx,y与λx,y分别表示索引x,y下的标定点所示温度及其对应条件下栅点反射波中心波长；将多维数组M(如图1所示)按照光栅测点划分为6个二维矩阵，记基准温度tx,1下基准波长λx,1，自变量为Δλx＝1000*(λx,y-λx,1)/λx,1，因变量即tx,y，采用多项式拟合分别获取各光栅测点的初始温度系数ax,bx,cx,dx，其中ax为三次项系数 0.90161，bx为二次项系数-9.12401，cx为一次项系数134.37，dx为常数项87.5；
表1为初始标定点数组M
步骤2：接下来以光栅1为例，校正经高温焊接后传感器在基准温度下基准波长产生的波长偏差，记光纤光栅高温传感器在常压下沸水温度100℃时的标准基准波长为λx,1’，校正后的基准波长为λx,1，即得到标准基准波长与校正后的基准波长偏差Δλx＝λx,1’-λx,1；依据步骤1中的温度系数ax,bx,cx,dx与实测温度tx,1＝200℃代入拟合的三次方程ax*Δλx,1 3+bx*Δλx,1 2+cx*Δλx,1+dx＝tx,1求实根，该实根记为kx，即有0.90161*kx 3-9.12401*kx 2+134.37*kx+87.5＝200可解得 kx＝0.8859，再参考测定的标准基准波长为λx,1’＝1577.362nm，进而求得实测校准波长1577.362nm与校准后基准波长间的偏差Δλ1＝1.396nm，修正传感器的基准波长λx,1＝1575.966nm。
步骤3：依据光栅1的温度系数0.90161，-9.12401，134.37，87.5以及步骤2中校准后的基准波长λx,1构造基准修正后的温度波长关系曲线如图3所示，然后按照初始标定点温度t1,y，代入新拟合的三次方程0.90161*Δλx,y 3+-9.12401 *Δλx,y 2+134.37*Δλx,y+87.5＝tx,y求其实根从而计算出基准修正后的相应波长偏差Δλx,y，将校正后的基准波长为λx,1带入设定的等式Δλx,y＝(λx,y’-λx,1)/λx,1*1000，推算出理论波长λx,y’＝Δλx,y*λx,1/1000+λx,1，从而得到基准修正点数组 N＝[1575.966，87.5；1576.502，132.2；1577.094，179.3；1577.739，228.4； 1578.458，280.7；1579.197，332.4；1597.973，385；1580.766，437.6；1581.557， 489.6]，取临近基准值的5点。
步骤4：采用上述光纤光栅高温传感器温度试验装置进行光纤光栅高温传感器温度自适应试验，即将结构本体进行加热升温，达到热平衡的时候进行保温，记录此时的参考温度t1,z和波长λ1,z，其中z代表自适应修正试验次数；然后再加大功率继续升温，再次达到热平衡的时候进行保温和记录温度波长数据；本发明的一个实施例中完成温度200℃，300℃和450℃自适应试验后，将得到系数修正点数组S，具体如表2所示：
表2为系数修正点数组S
步骤5：将系数修正点数组S与基准修正点数组N进行合并运算，从而得到自适应数组R＝[λ1,k,t1,k]，其中k＝y+z＝5+3＝8。
步骤6：依据自适应数组R，再采用最小二乘法进行三次拟合获得光栅1 测点的修正后温度系数a1’＝1.012，b1’＝-9.7874，c1’＝134.96，d1’＝87.443，从而得到修正后的波长—温度公式为：
1.012*Δλx,y 3-9.7874*Δλx,y 2+134.96*Δλx,y+87.443＝tx,y
其中Δλx,y＝(λx,y’-1575.966)/1575.966*1000；根据上述公式计算出的修正前后拟合温度误差如表3所示；
表3实施例中的光栅1的测点温度数据比对表
通过上表可以看出，修正后的温度与待测实际温度误差非常小，保证了修正后数据的准确性，在光栅1测点修正完成后，采用同样方法在其他光栅测点进行试验，即完成光纤光栅高温传感器2的系数快速修正。
综上所述，本发明列举了一个实施例，但本发明不仅限于上述实施例，只要以任何相同或相似的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种光纤光栅高温传感器超量程使用的系数快速修正方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：确定光纤光栅高温传感器出厂的初始标定点矩阵M＝[λx,y,tx,y]，其中x代表光纤光栅高温传感器的光栅测点数量，Y代表各光栅测点进行初始标定时标定点的数量；tx,y表示索引x,y下的标定点所示温度，λx,y表示标定点所示温度tx,y对应条件下栅点反射波中心波长；将多维数组M按各光栅测点划分为若干个二维数组即对应波长温度点数组，取数组M中温度临近100℃值定义其波长为基准波长λ0x,1，以Δλx,y＝(λx,y’-λ0x,1)/λ0x,1*1000为自变量，温度tx,y为因变量，采用多项式拟合分别获取各光栅测点的初始温度系数ax,bx,cx,dx，其中ax为三次项系数，bx为二次项系数，cx为一次项系数，dx为常数项；
步骤2：记光纤光栅高温传感器在常压下沸水温度100℃时的标准基准波长为λx,1’，校正后的基准波长为λx,1，即得到标准基准波长与校正后的基准波长偏差Δλx＝λx,1’-λx,1；依据步骤1中的温度系数ax,bx,cx,dx与实测温度tx,1代入拟合的三次方程ax*Δλx,1 3+bx*Δλx,1 2+cx*Δλx,1+dx＝tx,1求实根，该实根记为kx，且满足关系式kx＝Δλx/λx,1*1000；再参考测定的标准基准波长为λx,1’计算出校正后的基准波长λx,1＝1000/(kx+1000)*λx,1’；
步骤3：依据步骤1中的温度系数ax,bx,cx,dx’及步骤2中计算出的校准后的基准波长λx,1构造修正后的基准温度波长关系曲线，然后按照初始标定点温度tx,y，代入新拟合的三次方程ax*Δλx,y 3+bx*Δλx,y 2+cx*Δλx,y+dx＝tx,y求其实根从而计算出基准修正后的相应波长偏差Δλx,y，然后根据等式Δλx,y＝(λx,y’-λx,1)/λx,1*1000，推算出理论波长λx,y’，从而得到基准修正点数组N＝[λx,y’,tx,y]；
步骤4：采用传感器温度自适应试验装置针对光纤光栅高温传感器进行温度自适应试验，收集传感器温度自适应试验装置中发热结构多次升温达到热平衡时记录的参考温度tx,z和波长λx,z，得到系数修正点矩阵S＝[λx,z,tx,z]，其中z代表自适应修正试验次数；
步骤5：将步骤4中得到的系数修正点矩阵S＝[λx,z,tx,z]与步骤3中的基准修正点矩阵N＝[λx,y’,tx,y]进行加权合并运算，矩阵S加权比例应高于矩阵N，从而得到自适应矩阵R＝[λx,k,tx,k]，其中y≤k≤y+z；
步骤6：依据步骤5中的自适应数组R，按照光栅测点数量x划分为若干个二维矩阵，再采用梯度下降法三次拟合函数模型，分别获取各光栅测点的修正后温度系数ax’,bx’,cx’,dx’，得到波长—温度修正公式：ax’*Δλx,y 3+bx’*Δλx,y 2+cx’*Δλx,y+dx’＝tx,y，其中Δλx,y＝(λx,y’-λx,1)/λx,1*1000。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高温传感器超量程使用的系数快速修正方法，其特征在于：所述步骤1中X取值1～20；Y依据传感器检定规范要求取值6～12之间的整数。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高温传感器超量程使用的系数快速修正方法，其特征在于：所述步骤4中的传感器温度自适应试验装置包括光纤解调仪、发热结构和配套设置的供电系统、监测系统、保温及冷却系统；所述发热结构包括试验待测的发热构件或由发热构件组成的发热装置，所述光纤光栅高温传感安装在发热结构的表面或内部，并通过安装接口与光纤解调仪连接，所述光纤解调仪用于实时采集光纤光栅高温传感器反射光中心波长值，并显示温度测量结果。
4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高温传感器超量程使用的系数快速修正方法，其特征在于：所述步骤4中得到系数修正点矩阵S＝[λx,z,tx,z]的具体过程时，通过对传感器温度自适应试验装置的发热结构升温加热，当其达到热平衡的时候进行保温，记录此时的参考温度tx,z和波长λx,z，然后再加大发热结构继续升温，再次达到热平衡的时候进行保温和记录温度与波长数据，并在完成若干次温度自适应试验后，将得到系数修正点矩阵S＝[λx,z,tx,z]，其中z取值3～7。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高温传感器超量程使用的系数快速修正方法，其特征在于：所述步骤4中的光纤光栅高温传感器为金属管和保护性气体密闭封装的单点或阵列飞秒光栅传感器，其测量段铠管采用金属焊接方式固定在传感器温度自适应试验装置的发热结构本体表面或埋入内部，其焊接温度一般超过1000℃。
6.根据权利要求3所述的一种光纤光栅高温传感器超量程使用的系数快速修正方法，其特征在于：所述发热构件包括发热板、发热棒、发热管或发热罐体中的任意一种或几种组合；所述安装接口为发热结构内部探测器与外界信号监测设备的传输接口，采用法兰盘结构，其上设置有安装通孔；所述光纤光栅高温传感器的测量段铠管穿过法兰盘的安装通孔，并采用金属焊接方式固定在法兰盘通孔上。
7.根据权利要求3所述的一种光纤光栅高温传感器超量程使用的系数快速修正方法，其特征在于：所述光纤解调仪采用多通道光纤光栅光谱分析仪，用于实时采集光纤光栅高温传感器反射光中心波长值，并通过软件处理显示温度测量结果。
8.根据权利要求3所述的一种光纤光栅高温传感器超量程使用的系数快速修正方法，其特征在于：所述光纤光栅高温传感器的光接口连接至光纤解调仪的光接口，采用FC/APC接口类型。
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| 基于光纤Bragg光栅传感器温度灵敏系数标定算法的研究;胡文芳;江山;李凯;;电子设计工程;20200405(第07期);全文 * |
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