光纤光栅温度传感器信号解调及其自动标定系统设计

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光纤光栅传感器自出现以来,以其独特的优势迅速获得了广泛的应用,尤其是在电力系统中,由于其很好的满足了电力系统自动化的发展要求,并且具有抗电磁干扰、适合远距离传输的优势,因此光纤光栅温度传感器在温度在线监测系统中发挥了极大的作用。但是目前现有的光纤光栅温度传感器制作水平和标定方式很大程度上限制了其大规模应用,缺乏统一的传感器制作标准和低效的标定工作成为制约其发展的重要因素。光纤Bragg光栅传感器是通过检测光纤光栅反射波长的变化来反映被测物理量的变化大小的,实际上是一种波长编码,因此若想保证光纤光栅传感器测量结果的精度就必须实现对光纤光栅波长变化的高精度检测。波长解调就是对光纤光栅中受被测量调制的波长信号进行测量,检测出光纤光栅反射波长的微小变化情况。因此光纤光栅传感器的波长解调要求具有足够高的分辨率,并且在现实应用中还要求具有轻便、稳定可靠和易于操作等特点。本课题主要研究光纤光栅温度传感器的信号解调并在此基础上设计一套自动标定系统,解决如何提高光纤光栅温度传感器标定的自动化水平,主要实现恒温槽温度的自动控制和标定公式的自动生成,用先进的自动化技术代替以往机械繁琐的手工操作,节约劳动力资源并解决因人力操作可能造成的标定不准确问题。能够极大的缩短传感器系统的生产周期,降低传感器系统的生产成本,使得传感器的标定工作高效、稳定、精确,以满足光纤光栅温度传感器日益扩大的应用需求。光纤光栅温度传感器自动标定系统主要包括:高精度恒温槽、信号解调系统、上位机和系统软件,具体工作有信号解调系统的搭建、相关控制电路的设计和系统软件的编写。信号解调系统包括光开关模块和解调仪模块,分别实现传感器的通道扩展和波长解调;恒温水槽提供稳定的标定恒温场;系统软件完成解调系统、恒温槽和上位机之间的数据通讯、波长数据的存储和波长数据的处理工作。由光纤光栅的温度传感特性知光纤Bragg光栅的温度和波长具有良好的线性关系,传感器的标定工作就是通过一定算法寻找最佳的K、B值,使得传感器的测量精度到达最佳。对于简单的求解一次项系数和常数项问题,可以使用最小二乘法进行曲线拟合,然后得到方程的K、B。这样在实际工程使用中只要测得光纤Bragg光栅温度传感器的反射波长就可以计算出相应的温度值。自动标定系统设计完成后通过实验分析对其标定结果进行校验,校验结果证明了传感器准确度符合工程要求,标定结果准确可靠,可以在实际工程应用中大规模使用。
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