一种基于反演算法的光纤光栅温度传感解调方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于反演算法的光纤光栅温度传感解调方法及系统，所述方法包括以下步骤：获取待解调处理的光纤光栅温度传感器的预设多个时刻的波长；基于所述预设多个时刻的波长，获得光纤光栅温度传感器的响应速度曲线；基于所述预设多个时刻的波长，获取各时刻的波长随时间的变化率；基于反演算法建立光纤光栅温度传感器的响应速度曲线中各时刻的波长和该时刻所对应的波长随时间的变化率与外界温度之间的非线性关系；基于所述非线性关系及多个时刻的波长获取外界温度，实现解调。本发明专利技术的方法，能够明显提高光纤光栅温度传感器的响应速度，并且可以实现比光纤光栅传感器耐温性更高的温度传感。温性更高的温度传感。温性更高的温度传感。

【技术实现步骤摘要】
一种基于反演算法的光纤光栅温度传感解调方法及系统


[0001]本专利技术属于光纤光栅传感解调
，特别涉及一种基于反演算法的光纤光栅温度传感解调方法及系统。

技术介绍

[0002]光纤光栅是目前应用最广泛的光纤无源器件之一，其是一种纤芯折射率周期性变化的光纤结构。光纤光栅具有许多优势，例如灵敏度高、成本低廉、体积小、不受外界电磁辐射干扰、耐腐蚀性好、可复用、能适应高温高压环境等，其已广泛应用于国防、航天、工业测量等领域。
[0003]在极端环境下的应用是当前光纤光栅传感技术的一个重要发展方向，随着航空发动机、重型燃气轮机等先进能源动力系统的发展，迫切要求解决长期制约航空发动机的试验参数原位测量技术瓶颈，因此耐高温光纤光栅温度传感器的研发以及耐高温光纤光栅温度传感器的解调技术也越来越得到重视；其中，光纤光栅解调技术的本质是将光纤光栅的波长变化检测出来，它携带了所要检测温度、应变等物理量的信息。
[0004]目前，常用的光纤光栅温度传感解调方法获取外界环境温度所需的时间依赖于光纤光栅传感器的响应速度，然而光纤光栅温度传感器需要等待其自身温度与外界环境温度达到热平衡才能获知外界温度，且传感器达到平衡温度所需的时间依赖于传感器的封装，这往往无法满足实时测量的需求。
[0005]此外，目前光纤光栅温度传感器及其它温度传感器的可测温度上限受限于传感元件自身的耐温性，无法实现超过传感元件自身最高耐受温度的传感。对光纤光栅而言其最高适用温度与自身材料限制及光纤光栅的形成机理相关，例如目前耐温性最好的蓝宝石光纤光栅，其测温上限为1600℃左右，如果外界温度为1600℃以上时，就无法进行传感测量。
[0006]基于上述对现有技术的分析可知，目前迫切需要一种可快响应、适用温度超过传感元件自身耐温性的光纤光栅温度传感解调方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于反演算法的光纤光栅温度传感解调方法及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本专利技术的方法，能够明显提高光纤光栅温度传感器的响应速度，并且可以实现比光纤光栅传感器耐温性更高的温度传感。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]本专利技术的一种基于反演算法的光纤光栅温度传感解调方法，包括以下步骤：
[0010]获取待解调处理的光纤光栅温度传感器的预设多个时刻的波长；基于所述预设多个时刻的波长，获得光纤光栅温度传感器的响应速度曲线；
[0011]基于所述预设多个时刻的波长，获取各时刻的波长随时间的变化率；
[0012]基于反演算法建立光纤光栅温度传感器的响应速度曲线中各时刻的波长和该时刻所对应的波长随时间的变化率与外界温度之间的非线性关系；基于所述非线性关系及多
个时刻的波长获取外界温度，实现解调。
[0013]本专利技术的进一步改进在于，所述获取待解调处理光纤光栅温度传感器的预设多个时刻的波长时，波长采集时刻在所述待解调处理光纤光栅温度传感器与外界温度达到热平衡之前或达到热平衡时。
[0014]本专利技术的进一步改进在于，所述获取待解调处理的光纤光栅温度传感器的预设多个时刻的波长；基于所述预设多个时刻的波长，获得光纤光栅温度传感器的响应速度曲线的步骤具体包括：
[0015]将所述待解调处理光纤光栅温度传感器置于高温炉并逐渐升温；利用光谱仪或者解调仪采集升温过程中光纤光栅的光谱信息；
[0016]对采集的光谱数据进行高斯拟合或三次函数拟合，得到每个光谱的中心波长；
[0017]基于所述每个光谱的中心波长，得到光纤光栅温度传感器的响应速度曲线。
[0018]本专利技术的进一步改进在于，所述基于所述预设多个时刻的波长，获取各时刻的波长随时间的变化率的方法为梯度法、中点公式法、三点公式法、五点公式法、样条函数法、辛普森数值微分法或理查德外推算法。
[0019]本专利技术的进一步改进在于，所述反演算法为非线性自回归法时，基于反演算法建立所述待解调处理光纤光栅温度传感器的响应速度曲线中各时刻的波长和该时刻所对应的波长随时间的变化率与外界温度之间的非线性关系；基于所述非线性关系及多个时刻的波长获取外界温度，实现解调的步骤具体包括：
[0020]步骤1、将采集的样本数据集分为训练集和测试集；其中，所述样本数据集中的每一组样本数据按照输入输出对的模式组织，输入数据为光纤光栅温度传感器响应速度曲线上某时刻的波长值及该时刻所对应的波长随时间的变化率，输出数据为外界温度；
[0021]步骤2、基于非线性自回归法，建立所述待解调处理光纤光栅温度传感器的响应速度曲线中各样本数据时刻的波长和该样本数据时刻所对应的波长随时间的变化率与外界温度之间的非线性关系，构建获得第一光纤光栅温度传感解调模型；
[0022]步骤3、基于所述训练集对所述第一光纤光栅温度传感解调模型进行多次训练直至模型收敛，采用测试集测试通过后，获得训练好的反演模型；
[0023]步骤4、基于所述训练好的反演模型进行温度预测，获取外界温度，实现解调。
[0024]本专利技术的进一步改进在于，所述输入数据的组合为，预定时刻的波长值与所述预定时刻的上一时刻的波长随时间的变化率、预定时刻的波长值与所述预定时刻的波长随时间的变化率、预定时刻的波长值与所述预定时刻的下一时刻的波长随时间的变化率。
[0025]本专利技术的进一步改进在于，所述非线性自回归法为神经网络、支持向量机或逻辑回归。
[0026]本专利技术的进一步改进在于，所述反演算法为公式法时，基于反演算法建立所述待解调处理光纤光栅温度传感器的响应速度曲线中各时刻的波长和该时刻所对应的波长随时间的变化率与外界温度之间的非线性关系；基于所述非线性关系及多个时刻的波长获取外界温度，实现解调的步骤具体包括：
[0027]步骤1)、对光纤光栅温度传感器的温度
‑
波长曲线进行标定，并结合所述光纤光栅温度传感器的响应速度曲线，得到样本数据；
[0028]步骤2)、利用所述样本数据及公式法的基本公式建立第二光纤光栅温度反演模
型；其中，所述公式法的基本公式为：T
f
为环境温度，T为光纤光栅温度传感器自身的温度，建立模型的过程为求解K的过程；
[0029]步骤3)、以均方根误差作为评判标准，对步骤2)获得的第二光纤光栅温度反演模型进行测试，测试通过后，获得测试好的反演模型；
[0030]步骤4)、基于所述测试好的反演模型进行温度预测，获取外界温度，实现解调。
[0031]本专利技术的进一步改进在于，所述步骤1)具体包括以下步骤：
[0032]将光纤光栅温度传感器置于高温炉中并随炉升温，每间隔50℃设置一个标定温度点，记录标准温度传感器温度示值与光纤光栅温度传感器波长值；
[0033]利用记录的数据点建立温度与波长值之间的函数关系，并结合所述光纤光栅温度传感器的响应速度曲线，获得样本数据。
[0034]本专利技术的一种基于反演算法的光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于反演算法的光纤光栅温度传感解调方法，其特征在于，包括以下步骤：获取待解调处理的光纤光栅温度传感器的预设多个时刻的波长；基于所述预设多个时刻的波长，获得光纤光栅温度传感器的响应速度曲线；基于所述预设多个时刻的波长，获取各时刻的波长随时间的变化率；基于反演算法建立光纤光栅温度传感器的响应速度曲线中各时刻的波长和该时刻所对应的波长随时间的变化率与外界温度之间的非线性关系；基于所述非线性关系及多个时刻的波长获取外界温度，实现解调。2.根据权利要求1所述的一种基于反演算法的光纤光栅温度传感解调方法，其特征在于，所述获取待解调处理光纤光栅温度传感器的预设多个时刻的波长时，波长采集时刻在所述待解调处理光纤光栅温度传感器与外界温度达到热平衡之前或达到热平衡时。3.根据权利要求1所述的一种基于反演算法的光纤光栅温度传感解调方法，其特征在于，所述获取待解调处理的光纤光栅温度传感器的预设多个时刻的波长；基于所述预设多个时刻的波长，获得光纤光栅温度传感器的响应速度曲线的步骤具体包括：将所述待解调处理光纤光栅温度传感器置于高温炉并逐渐升温；利用光谱仪或者解调仪采集升温过程中光纤光栅的光谱信息；对采集的光谱数据进行高斯拟合或三次函数拟合，得到每个光谱的中心波长；基于所述每个光谱的中心波长，得到光纤光栅温度传感器的响应速度曲线。4.根据权利要求1所述的一种基于反演算法的光纤光栅温度传感解调方法，其特征在于，所述基于所述预设多个时刻的波长，获取各时刻的波长随时间的变化率的方法为梯度法、中点公式法、三点公式法、五点公式法、样条函数法、辛普森数值微分法或理查德外推算法。5.根据权利要求1所述的一种基于反演算法的光纤光栅温度传感解调方法，其特征在于，所述反演算法为非线性自回归法时，基于反演算法建立所述待解调处理光纤光栅温度传感器的响应速度曲线中各时刻的波长和该时刻所对应的波长随时间的变化率与外界温度之间的非线性关系；基于所述非线性关系及多个时刻的波长获取外界温度，实现解调的步骤具体包括：步骤1、将采集的样本数据集分为训练集和测试集；其中，所述样本数据集中的每一组样本数据按照输入输出对的模式组织，输入数据为光纤光栅温度传感器响应速度曲线上某时刻的波长值及该时刻所对应的波长随时间的变化率，输出数据为外界温度；步骤2、基于非线性自回归法，建立所述待解调处理光纤光栅温度传感器的响应速度曲线中各样本数据时刻的波长和该样本数据时刻所对应的波长随时间的变化率与外界温度之间的非线性关系，构建获得第一光纤光栅温度传感解调模型；步骤3、基于所述训练集对所述第一光纤光栅温度传感解调模型进行多次训练直至模型收敛，采用测试集测试通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈涛，李颖捷，司金海，牛潇，侯洵，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：