一種用于帶有封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及光纖光柵應(yīng)變傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖光柵應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002]應(yīng)變是表征工程結(jié)構(gòu)安全的重要指標(biāo)，人們通常通過(guò)檢測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變來(lái)評(píng)估一項(xiàng)工程的健康狀況。結(jié)構(gòu)體受外界作用產(chǎn)生的應(yīng)變過(guò)大，會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋等損傷，進(jìn)一步發(fā)展會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，甚至威脅工程安全。應(yīng)變傳感器廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、建筑橋梁、能源化工、航空航天、科研教學(xué)等領(lǐng)域，獲得被測(cè)結(jié)構(gòu)位置的應(yīng)變參數(shù)，作為運(yùn)行狀態(tài)評(píng)定、結(jié)構(gòu)性能測(cè)試、在線健康監(jiān)測(cè)的直接參考數(shù)據(jù)。
[0003]近年來(lái)，新興的光纖光柵應(yīng)變傳感器獲得了人們的青睞，正逐漸在建筑、橋梁、水利、航空等領(lǐng)域取代傳統(tǒng)應(yīng)變片傳感器成為主流。其具有的優(yōu)點(diǎn)包括體積小、精度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)形式靈活、測(cè)量對(duì)象廣泛、可分布或者準(zhǔn)分布式測(cè)量、壽命高等，性能相較應(yīng)變片更為優(yōu)異。但是，由于光纖光柵的中心波長(zhǎng)對(duì)溫度與應(yīng)變均敏感，自身無(wú)法區(qū)分溫度和應(yīng)變分別引起的波長(zhǎng)變化，從而導(dǎo)致了溫度和應(yīng)變的交叉敏感問(wèn)題。所以，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)試時(shí)，如何在測(cè)量數(shù)據(jù)中消除溫度影響，獲得由荷載引起的結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)變值，是非常必要的，這一過(guò)程即稱之為溫度補(bǔ)償。
[0004]裸光纖光柵材料特別脆弱，抗剪能力很差，在工程施工和測(cè)試試驗(yàn)等實(shí)際應(yīng)用中，極易受到損傷而導(dǎo)致傳感失效。因此，在使用光纖光柵作為傳感器時(shí)需要采用保護(hù)性措施來(lái)防止傳感器損壞，即進(jìn)行保護(hù)性封裝。雖然光纖光柵傳感器的自身特性為溫度交叉敏感問(wèn)題的主要影響因素，但不同封裝材料的熱彈性系數(shù)也不相同，使得光纖光柵在應(yīng)變測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生不同程度形變，對(duì)應(yīng)變輸出同樣產(chǎn)生了重要影響。若僅考慮光纖光柵本身特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償，其準(zhǔn)確度必然不能滿足需求。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中光纖光柵的溫度補(bǔ)償方法主要分為兩類:添加額外傳感器或裝置法和分析算法。前者中常見的包括參考光柵法、雙波長(zhǎng)疊柵法、特殊材質(zhì)封裝法等，后者中常見方法包括回歸分析方法和機(jī)器學(xué)習(xí)法等。
[0006]添加額外傳感器或裝置方法一般需要在傳感器網(wǎng)絡(luò)中添加額外的傳感器，將其布設(shè)于與測(cè)點(diǎn)處于同一溫度環(huán)境、與被測(cè)點(diǎn)材質(zhì)相同且不承受載荷的位置，或兩只傳感器均布設(shè)于測(cè)點(diǎn)附近，還有安裝特異型封裝的方式，并均需配合相應(yīng)的計(jì)算方法完成溫度補(bǔ)償。而在一些工程實(shí)際或試驗(yàn)中，存在難以找到無(wú)載荷位置或測(cè)點(diǎn)位置受限，添加額外傳感器或裝置溫度補(bǔ)償方法則難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，導(dǎo)致此類方法難以開展，無(wú)法有效完成溫度補(bǔ)償。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服添加額外傳感器或裝置方法布設(shè)位置受限，且未考慮光纖光柵傳感器封裝性質(zhì)等因素導(dǎo)致溫度補(bǔ)償難以實(shí)施或效果不佳的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種用于帶有封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償方法，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算方法，針對(duì)不同封裝類型選用不同的總溫度特性系數(shù)，該系數(shù)考慮了封裝材料特性光纖光柵性質(zhì)。
[0008]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0009]—種用于帶有封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0010]步驟1)在開始應(yīng)變測(cè)量前，將光纖光柵傳感器置0;
[0011]步驟2)記錄光纖光柵傳感器置零時(shí)刻的環(huán)境溫度To;
[0012]步驟3)應(yīng)變測(cè)試過(guò)程中，用光纖光柵傳感器測(cè)量被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，并記錄光纖光柵傳感器的應(yīng)變輸出以及測(cè)試時(shí)刻的環(huán)境溫度Tt;
[0013]步驟4)根據(jù)公式，計(jì)算被測(cè)結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)變值er，er= et-aT(Tt-To);
[0014]其中，er為結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)變值，^為傳感器應(yīng)變測(cè)試值，Tt為測(cè)試時(shí)刻對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度，To為光纖光柵傳感器置零時(shí)刻的環(huán)境溫度;ατ為總溫度特性系數(shù)通過(guò)恒溫試驗(yàn)確定。
[0015]采用恒溫恒濕試驗(yàn)箱提供高精度的溫度環(huán)境，由等強(qiáng)度梁提供穩(wěn)定的應(yīng)變輸出；
[0016]所述恒溫試驗(yàn)具體為:
[0017]1)將測(cè)試光纖光柵傳感器布設(shè)于等強(qiáng)度梁有效段，并將等強(qiáng)度梁與光纖光柵傳感器一同置于恒溫恒濕箱內(nèi)部進(jìn)行試驗(yàn)；
[0018]2)在等強(qiáng)度梁上增加載荷；
[0019]3)設(shè)定恒溫恒濕試驗(yàn)箱參數(shù)，濕度采用恒定濕度；
[0020]4)在光纖光柵傳感器正常工作溫度范圍內(nèi)，至少三次升降溫，并記錄每次光纖光柵傳感器的實(shí)際應(yīng)變輸出值和對(duì)應(yīng)的溫度；
[0021 ] 5)更換載荷，執(zhí)行步驟3);
[0022]載荷至少更換兩次；
[0023]6)針對(duì)歷次試驗(yàn)測(cè)試獲得的應(yīng)變一溫度關(guān)系進(jìn)行分析，即可獲得相應(yīng)光纖光柵傳感器的總溫度特性系數(shù)。
[0024]當(dāng)光纖光柵傳感器的封裝為金屬封裝傳感器，總溫度特性系數(shù)ατ為:18.59;
[0025]當(dāng)光纖光柵傳感器的封裝為軟質(zhì)封裝傳感器，總溫度特性系數(shù)ατ為:17.52。
[0026]本發(fā)明的有益效果是:
[0027]1、本發(fā)明提供的用于帶有的封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器計(jì)算溫度補(bǔ)償方法，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式直接計(jì)算實(shí)現(xiàn)封裝型光纖光柵應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償，解決了添加額外傳感器或裝置方法在某些場(chǎng)合使用受限問(wèn)題，簡(jiǎn)化光纖光柵傳感測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需添加額外的參考測(cè)溫光柵或特殊封裝，不擠占測(cè)試區(qū)域，同時(shí)節(jié)省傳感器布設(shè)成本，能夠獲得可靠的應(yīng)變數(shù)據(jù)。
[0028]2、本發(fā)明通過(guò)更換對(duì)應(yīng)封裝材料的總溫度特性系數(shù)，能夠適用于各類不同封裝光纖光柵傳感器的應(yīng)變測(cè)量，具有廣泛的實(shí)用性。
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1是本發(fā)明的溫度補(bǔ)償算法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合說(shuō)明書附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0031]本發(fā)明的用于帶有封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償算法，包括以下步驟:
[0032]步驟(1)在開始應(yīng)變測(cè)量前，將光纖光柵傳感器置0;
[0033]步驟(2)記錄傳感器置零時(shí)刻的環(huán)境溫度，該溫度可由任意可信溫度測(cè)試方法獲得；
[0034]步驟(3)應(yīng)變測(cè)試過(guò)程中，記錄光纖光柵傳感器的應(yīng)變輸出以及數(shù)據(jù)輸出對(duì)應(yīng)時(shí)刻的環(huán)境溫度；
[0035]步驟(4)確定使用傳感器的封裝形式，選擇相應(yīng)的總溫度特性系數(shù)；
[0036]步驟(5)將應(yīng)變輸出值、測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度值與置零時(shí)刻環(huán)境溫度值和總溫度特性系數(shù)帶入經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算即可獲得相應(yīng)時(shí)刻經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)變情況。經(jīng)驗(yàn)公式為εΓ= et_ax(Tt_To)。
[0037]其中，er為結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)變值，傳感器應(yīng)變測(cè)試值，ατ為總溫度特性系數(shù)同時(shí)恒溫試驗(yàn)確定，Tt為測(cè)試時(shí)刻對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度，To為傳感器置零時(shí)刻環(huán)境溫度。
[0038]恒溫試驗(yàn)具體為:采用恒溫恒濕試驗(yàn)箱提供高精度的溫度環(huán)境，由等強(qiáng)度梁提供穩(wěn)定的應(yīng)變輸出；
[0039]1)將測(cè)試光纖光柵傳感器布設(shè)于等強(qiáng)度梁有效段，并將等強(qiáng)度梁與光纖光柵傳感器一同置于恒溫恒濕箱內(nèi)部進(jìn)行試驗(yàn)；
[0040]2)調(diào)節(jié)恒溫恒濕試驗(yàn)箱采用恒定濕度環(huán)境；；
[0041]3)在等強(qiáng)度梁上增加載荷；
[0042]4)在光纖光柵傳感器正常工作溫度范圍內(nèi)，至少三次升降溫，并記錄每次光纖光柵傳感器的實(shí)際應(yīng)變輸出值和對(duì)應(yīng)的溫度；
[0043]5)更換載荷，執(zhí)行步驟4);
[0044]載荷至少更換兩次；
[0045]6)針對(duì)歷次試驗(yàn)測(cè)試獲得的應(yīng)變一溫度關(guān)系進(jìn)行分析，通過(guò)大量恒溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，擬合計(jì)算獲得，其擬合決定系數(shù)均值為R2 = 0.9997。即可獲得相應(yīng)傳感器的總溫度特性系數(shù)。
[0046]針對(duì)不同材質(zhì)封裝的總溫度特性系數(shù)不同，針對(duì)金屬封裝傳感器和軟質(zhì)封裝傳感器，總溫度特性系數(shù)ατ分別為:18.59和17.52。
[0047]綜上所述，本發(fā)明的用于帶有的封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器計(jì)算溫度補(bǔ)償方法，通過(guò)采用溫度補(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)封裝類型選用對(duì)應(yīng)的總溫度特性系數(shù)，記錄測(cè)量前及測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度，即可計(jì)算獲得溫度補(bǔ)償后的結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息。該方法解決了添加額外傳感器或裝置方法在某些特定場(chǎng)合的使用受限問(wèn)題，無(wú)需添加額外的傳感器或特殊封裝，有效降低測(cè)量系統(tǒng)成本。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定不同封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器的總溫度特性系數(shù)后，在實(shí)際使用中僅需根據(jù)封裝類型選用對(duì)應(yīng)的系數(shù)即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的溫度補(bǔ)償，可適用于各類封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償，具備廣泛的實(shí)用性。
[0048]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施條例的限制，上述實(shí)施條例和說(shuō)明書中面熟的只是本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于帶有封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟1)在開始應(yīng)變測(cè)量前，將光纖光柵傳感器置0; 步驟2)記錄光纖光柵傳感器置零時(shí)刻的環(huán)境溫度To; 步驟3)應(yīng)變測(cè)試過(guò)程中，用光纖光柵傳感器測(cè)量被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，并記錄光纖光柵傳感器的應(yīng)變輸出以及測(cè)試時(shí)刻的環(huán)境溫度Tt; 步驟4)根據(jù)公式，計(jì)算被測(cè)結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)變值er，er=et-aT(Tt_To); 其中，為結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)變值，為傳感器應(yīng)變測(cè)試值，Tt為測(cè)試時(shí)刻對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度，To為光纖光柵傳感器置零時(shí)刻的環(huán)境溫度;ατ為總溫度特性系數(shù)通過(guò)恒溫試驗(yàn)確定。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于帶有封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償方法，其特征在于:采用恒溫恒濕試驗(yàn)箱提供高精度的溫度環(huán)境，由等強(qiáng)度梁提供穩(wěn)定的應(yīng)變輸出； 所述恒溫試驗(yàn)具體為: 1)將測(cè)試光纖光柵傳感器布設(shè)于等強(qiáng)度梁有效段，并將等強(qiáng)度梁與光纖光柵傳感器一同置于恒溫恒濕箱內(nèi)部進(jìn)行試驗(yàn)； 2)在等強(qiáng)度梁上增加載荷； 3)設(shè)定恒溫恒濕試驗(yàn)箱參數(shù)，濕度采用恒定濕度； 4)在光纖光柵傳感器正常工作溫度范圍內(nèi)，至少三次升降溫，并記錄每次光纖光柵傳感器的實(shí)際應(yīng)變輸出值和對(duì)應(yīng)的溫度； 5)更換載荷，執(zhí)行步驟3); 載荷至少更換兩次； 6)針對(duì)歷次試驗(yàn)測(cè)試獲得的應(yīng)變一溫度關(guān)系進(jìn)行分析，即可獲得相應(yīng)光纖光柵傳感器的總溫度特性系數(shù)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于帶有封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償方法，其特征在于:當(dāng)光纖光柵傳感器的封裝為金屬封裝傳感器，總溫度特性系數(shù)ατ為:18.59; 當(dāng)光纖光柵傳感器的封裝為軟質(zhì)封裝傳感器，總溫度特性系數(shù)ατ為:17.52。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于帶有封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償方法，通過(guò)記錄應(yīng)變測(cè)試開始時(shí)刻和進(jìn)行過(guò)程中的環(huán)境溫度、確定封裝類型、選用相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，即可獲得高精度的溫度補(bǔ)償。該方法適用于各類帶有封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器。該方法不需要額外布設(shè)參考傳感器，有效降低補(bǔ)償成本。對(duì)于不同封裝類型，僅需對(duì)總溫度特性系數(shù)進(jìn)行調(diào)整即可獲得相應(yīng)的溫度補(bǔ)償，具備廣泛的實(shí)用性。
【IPC分類】G01B11/16
【公開號(hào)】CN105486242
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510816256
【發(fā)明人】韓熠, ?，? 張周煥, 杜栓才
【申請(qǐng)人】西安航天計(jì)量測(cè)試研究所
【公開日】2016年4月13日
【申請(qǐng)日】2015年11月20日