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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术修正方法简单，且修正后数据准确，实现了提高传感器测量精度的目的。实现了提高传感器测量精度的目的。实现了提高传感器测量精度的目的。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
专利技术内容
[0004]本专利技术针对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。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术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：
[0006]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＝[λ
x,y
,t
x,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；t
x,y
表示索引x,y下的标定点所示温度，λ
x,y
表示标定点所示温度t
x,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λ0
x,1
，以Δλ
x,y
＝(λ
x,y
’‑
λ0
x,1
)/λ0
x,1
*1000为自变量，温度t
x,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a
x
,b
x
,c
x
,d
x
，其中a
x
为三次项系数，b
x
为二次项系数，c
x
为一次项系数，d
x
为常数项；
[0007]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λ
x,1
’
，校正后的基准波长为λ
x,1
，即得到标准基准波长与校正后的基准波长偏差Δλ
x
＝λ
x,1
’‑
λ
x,1
；依据步骤1中的温度系数a
x
,b
x
,c
x
,d
x
与实测温度t
x,1
代入拟合的三次方程a
x
*Δλ
x,13
+b
x
*Δλ
x,12
+c
x
*Δλ
x,1
+d
x
＝t
x,1
求实根，该实根记为k
x
，且满足关系式k
x
＝Δλ
x
/λ
x,1
*1000；再参考测定的标准基准波长为λ
x,1
’
计算出校正后的基准波长λ
x,1
＝1000/(k
x
+1000)*λ
x,1
’
；
[0008]步骤3：依据步骤1中的温度系数a
x
,b
x
,c
x
,d
x
’
及步骤2中计算出的校准后的基准波长λ
x,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t
x,y
，代入新拟合的三次方程a
x
*Δλ
x,y3
+b
x
*Δλ
x,y2
+c
x
*Δλ
x,y
+d
x
＝t
x,y
求其实根从而计算出基准修正后的相应波长偏差Δλ
x,y
，再由等式Δλ
x,y
＝(λ
x,y
’‑
λ
x,1
)/λ
x,1
*1000推算出理论波长λ
x,y
’
，从而得到基准修正点数组 N＝[λ
x,y
’
,t
x,y
]；
[0009]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t
x,z
和波长λ
x,z
，得到系数修正点矩阵S＝[λ
x,z
,t
x,z
]，其中 z代表自适应修正试验次数；
[0010]步骤5：将步骤4中得到的系数修正点矩阵S＝[λ
x,z
,t
x,z
]与步骤3中的基准修正点矩阵N＝[λ
x,y
’
,t
x,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＝[λ
x,k
,t
x,k
]，其中y≤k≤y+z；
[0011]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a
x
’
,b
x
’
,c
x
’...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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＝[λ
x,y
,t
x,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；t
x,y
表示索引x,y下的标定点所示温度，λ
x,y
表示标定点所示温度t
x,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λ0
x,1
，以Δλ
x,y
＝(λ
x,y
’‑
λ0
x,1
)/λ0
x,1
*1000为自变量，温度t
x,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a
x
,b
x
,c
x
,d
x
，其中a
x
为三次项系数，b
x
为二次项系数，c
x
为一次项系数，d
x
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λ
x,1
’
，校正后的基准波长为λ
x,1
，即得到标准基准波长与校正后的基准波长偏差Δλ
x
＝λ
x,1
’‑
λ
x,1
；依据步骤1中的温度系数a
x
,b
x
,c
x
,d
x
与实测温度t
x,1
代入拟合的三次方程a
x
*Δλ
x,13
+b
x
*Δλ
x,12
+c
x
*Δλ
x,1
+d
x
＝t
x,1
求实根，该实根记为k
x
，且满足关系式k
x
＝Δλ
x
/λ
x,1
*1000；再参考测定的标准基准波长为λ
x,1
’
计算出校正后的基准波长λ
x,1
＝1000/(k
x
+1000)*λ
x,1
’
；步骤3：依据步骤1中的温度系数a
x
,b
x
,c
x
,d
x
’
及步骤2中计算出的校准后的基准波长λ
x,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t
x,y
，代入新拟合的三次方程a
x
*Δλ
x,y3
+b
x
*Δλ
x,y2
+c
x
*Δλ
x,y
+d
x
＝t
x,y
求其实根从而计算出基准修正后的相应波长偏差Δλ
x,y
，然后根据等式Δλ
x,y
＝(λ
x,y
’‑
λ
x,1
)/λ
x,1
*1000，推算出理论波长λ
x,y
’
，从而得到基准修正点数组N＝[λ
x,y
’
,t
x,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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张桂林，沙剑波，刘广贺，刘光皓，
申请(专利权)人：武汉雷施尔光电信息工程有限公司，
类型：发明
国别省市：