专利名称：测量实际路面温度的光纤光栅传感器的标定方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤光栅传感器的标定方法。
背景技术：
浙青混合料是一种粘弹塑性材料，具有明显的感温性能和流变特性。浙青路面是由浙青混合料铺筑而成层状构筑物，应力场和温度场的共同作用会对浙青路面的路用性能产生重大影响，因此，浙青路面温度场是研究浙青路面路用性能的基础工作之一。研究路面温度场分布的方法，一种是通过对太阳辐射、大气温度和材料热特性分析而得到的理论模型预估方法，另一种则是通过路面现场实测方法来获得路面的实际温度。路面实测方法中一种是采用电子测温计对路表温度进行测量，另一种则是在路面内部安装温度传感器对路面温度进行实测。采用电子测温计通常只能得到路面表面温度，数据不够充分。在路面内部安装的传感器，最常使用的类型是电学温度传感器，但这类传感器因受到传输导线电阻影响大，所以很难实现远距离测量，进而使得长期连续温度监测成为困难。光纤光栅传温度感器，因其具有高灵敏、高精度、高稳定性及较强的抗电磁场能力，近年来越来越多地被应用到土木工程领域。使用光纤光栅传温度感器对浙青路面进行长期监测具有巨大的优越性，在实际项目采用光纤光栅传感器测量浙青路面内部温度，能够满足浙青路面温度场的远距离长期连续观测，具有较高的实用价值，目前已在实际项目中得到应用。根据光纤光栅传感器的温度测量原理，我们知道传感器的温度变化和波长改变具有良好的线性关系，如 公式(I)所示。但是由于光纤光栅传感器的特性，它是通过反射波长变化来计算温度的变化，得到的结果也是一段时间内的温度变化值，若想得到待测物体的绝对温度值，则必须对传感器进行绝对温度的标定。Δ λ = α τΔΤ (I)式中:Λ λ——传感器反射波长变化；α τ——传感器温度灵敏度系数；Δ T——温
度变化量。对于光纤光栅传感器的标定，绝大多数研究米用在室内试验室标定，然后用于实际浙青路面中，传感器的绝对温度标定值和温度灵敏度系数采用试验室标定结果。但是根据研究发现，传感器的绝对温度标定值和温度灵敏度系数在埋入路面前后发生了巨大变化，且无规律可循。因此，合理的标定方法应当是在光纤光栅传感器埋入路面内部后，再对传感器的绝对温度值和灵敏度系数进行标定。但是目前还没有路面现场光纤光栅温度传感器绝对温度和灵敏度系数的标定方法。
发明内容
本发明是为了解决现有的采用室内试验室标定光纤光栅温度传感器的方法的绝对温度标定值和温度灵敏度系数相对于路面现场需求的误差大的问题，从而提供一种测量实际路面温度的光纤光栅传感器的标定方法。
测量实际路面温度的光纤光栅传感器的标定方法，它由以下步骤实现:步骤一、在浙青层中的SMA-16上面层的底部、AC-20中面层的底部、IOcm AC-25下面层的底部和ATB-30基层的底部分别埋设一号光纤光栅温度传感器S1、二号光纤光栅温度传感器S2、三号光纤光栅温度传感器S3和四号光纤光栅温度传感器S4 ；在浙青层中的SMA-16上面层、AC-20中面层、IOcm AC-25下面层和ATB-30基层中分别埋设一号热电偶D1、二号热电偶D2、三号热电偶D3和四号热电偶D4 ；步骤二、采用光纤光栅解调仪分别通过四根光纤以时间间隔Al对一号光纤光栅温度传感器SI的波长、二号光纤光栅温度传感器S2的波长、三号光纤光栅温度传感器S3的波长和四号光纤光栅温度传感器S4的波长进行NI次采集；A1为正数，NI为大于2的整数；
米用热电偶温度测量装置以时间间隔A2分别对一号热电偶Dl、二号热电偶D2、三号热电偶D3和四号热电偶D4进行N2次温度采集；N2为大于或等于2的整数；A2为正数；步骤三、通过公式:Δ λ = a Ti ΔΤi = 1、2、3或4 ;获得一号光纤光栅温度传感器S1、二号光纤光栅温度传感器S2、三号光纤光栅温度传感器S3或四号光纤光栅温度传感器S4的温度灵敏度系数a Ti ；式中:Λ λ为NI次采集第i个光纤光栅温度传感器波长的变化量；Λ T为N2次采集第i个热电偶的温度变化量；步骤四、通过公式:T = T0+ α 1 Ti ( λ - λ 0)获得一号光纤光栅温度传感器S1、二号光纤光栅温度传感器S2、三号光纤光栅温度传感器S3或四号光纤光栅温度传感器S4的绝对温度标定值；式中=Ttl为初始的标定温度；λ为第N次采集第i个光纤光栅温度传感器波长值；λ ^为初始标定光纤光栅温度传感器的波长值； αr=1/αr，完成测量实际路面温度的光纤光栅传感器的标定。—号光纤光栅温度传感器S1、二号光纤光栅温度传感器S2、三号光纤光栅温度传感器S3和四号光纤光栅温度传感器S4位于一条竖直的直线上，且均距离中央分隔带边缘的 0.8mο一号热电偶Dl、二号热电偶D2、三号热电偶D3和四号热电偶D4距浙青层上表面的距离分别为5cm、12cm、22cm和34cm。本发明在路面现场的标定光纤光栅温度传感器，获得光纤光栅温度传感器的绝对温度标定值和温度灵敏度系数。本发明方法新颖、简洁、可操作性强，方便适用于多种环境下的光纤光栅温度传感器的标定。
图1是本发明中光纤光栅温度传感器和热电偶埋设在浙青层的位置示意图；其中B表示浙青层中的SMA-16上面层、C表示AC-20中面层、D表示IOcm AC-25下面层和E表示ATB-30基层；
图2是本发明的测量原理示意图；图3是具体实施方式
二中24小时中路面温度变化引起的光纤光栅传感器波长随时间变化量的仿真示意图；图4是具体实施方式
二中24小时中路面温度变化引起的光纤光栅传感器波长随温度变化量的仿真示意图；图5是具体实施方式
二中根据波长计算得到路面内部温度的24小时的变化量仿
真示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图1和图2说明本具体实施方式
，测量实际路面温度的光纤光栅传感器的标定方法，它由以下步骤实现:步骤一、在浙青层中的SMA-16上面层的底部、AC-20中面层的底部、IOcm AC-25下面层的底部和ATB-30基层的底部分别埋设一号光纤光栅温度传感器S1、二号光纤光栅温度传感器S2、三号光纤光栅温度传感器S3和四号光纤光栅温度传感器S4 ；在浙青层中的SMA-16上面层、AC-20中面层、IOcm AC-25下面层和ATB-30基层中分别埋设一号热电偶D1、二号热电偶D2、三号热电偶D3和四号热电偶D4 ；步骤二、采用光纤光栅解调仪分别通过四根光纤以时间间隔Al对一号光纤光栅温度传感器SI的波长、二号光纤光栅温度传感器S2的波长、三号光纤光栅温度传感器S3的波长和四号光纤光栅温度传感器S4的波长进行NI次采集；A1为正数，NI为大于2的整数； 采用热电偶温度测量装置以时间间隔A2分别对一号热电偶Dl、二号热电偶D2、三号热电偶D3和四号热电偶D4进行N2次温度采集；N2为大于或等于2的整数；A2为正数；步骤三、通过公式:Δ λ = a Ti Δ Ti = 1、2、3或4 ;获得一号光纤光栅温度传感器S1、二号光纤光栅温度传感器S2、三号光纤光栅温度传感器S3或四号光纤光栅温度传感器S4的温度灵敏度系数a Ti ；式中:Λ λ为NI次采集第i个光纤光栅温度传感器波长的变化量；Λ T为N2次采集第i个热电偶的温度变化量；步骤四、通过公式: T = T0+ α ' Ti ( λ - λ 0)获得一号光纤光栅温度传感器S1、二号光纤光栅温度传感器S2、三号光纤光栅温度传感器S3或四号光纤光栅温度传感器S4的绝对温度标定值；式中=Ttl为初始的标定温度；λ为第N次采集第i个光纤光栅温度传感器波长值；λ ^为初始标定光纤光栅温度传感器的波长值押=长;完成测量实际路面温度的光纤光栅传感器的标定。—号光纤光栅 温度传感器S1、二号光纤光栅温度传感器S2、三号光纤光栅温度传感器S3和四号光纤光栅温度传感器S4位于一条竖直的直线上，且均距离中央分隔带边缘的 0.8mο
—号热电偶Dl、二号热电偶D2、三号热电偶D3和四号热电偶D4距浙青层上表面的距离分别为5cm、12cm、22cm和34cm。
具体实施方式
二、本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的测量实际路面温度的光纤光栅传感器的标定方法的区别在于，一号光纤光栅温度传感器S1、二号光纤光栅温度传感器S2、三号光纤光栅温度传感器S3和四号光纤光栅温度传感器S4位于一条竖直的直线上，且均距离中央分隔带边缘的0.Sm。一号热电偶Dl、二号热电偶D2、三号热电偶D3和四号热电偶D4距浙青层上表面的距离分别为5cm、12cm、22cm和34cm。A的取值为I分钟。NI的取值为1440。N2的取值范围为5至15之间。以下通过待测现场实际数据说明本发明:现场情况:高速公路现场B处的路面结构为四层浙青层和两层半刚性基层，浙青层材料从上到下分别为SMA-16、AC-20、AC-25和ATB-30。路面修筑期间，在路面内部埋设了光纤光栅温度传感器S1、S2、S3、S4，水平方向距离中央分隔带边缘0.Sm位置处，竖向分别位于浙青层SMA-16、AC-20、AC-25的各层底部，且处在同一条竖直线上。通过长距离光缆将四个光纤光栅传感器连接至距离传感器埋设点IOkm的A位置处监测室内的光纤光栅解调仪上，解调仪可对传感器的波长进行实时监测。如图2所示。使用本发明方法对S1、S2、S3、S4四个光纤光栅温度传感器进行灵敏度系数和绝对温度值标定。钻孔:根据现场光纤光栅传感器埋设情况，在沿车辆行驶方向，距离光纤光栅传感器水平方向20cm、30cm、40cm和50cm位置处,用粉笔进行标记。现场米用小型发电机对电锤供电，使用电锤在路面上标记位置处钻孔，钻孔直径1.5cm 2cm，深度分别对应待测浙青层底部距尚路表面的距尚。孔①深5cm、孔②深 12cm、孔③深22cm，孔④深34cm，钻孔后将钻孔灰掏出。如图1所示。安装热电偶:用于标定路面光纤光栅温度传感器的热电偶，需比现场光纤光栅温度传感器的测量精度高一个数量级。将实验室标定好的高精度热电偶Dl、D2、D3、D4，分别插入已经钻好的①、②、③、④四个孔中，根据深入长度判断是否热电偶测头是否已经达到预定待测点。使用发电机对电炉供电，用电炉加热浙青。浙青加热后灌入安装有热电偶的孔洞中，过程应迅速、稳定，保证浙青在硬化前充满孔洞，使热电偶与路面材料传热均匀。温度测试:现场热电偶安装完成后返回A处监测室内，启动光纤光栅解调仪，开始对S1、S2、S3、S4四个光纤光栅传感器波长进行米集,每隔一分钟取一个值。以S2传感器为例，其波长在一天的变化情况如图3所示。根据图3，通过对波长变化情况的分析，选定传感器标定时刻为7时，10时，13时，16时，19时左右对现场温度进行测试。在现场热电偶安装完成24小时后可对传感器进行标定，即在选定的标定时刻到路面现场对热电偶温度进行实测，并记录测试时间，现场测试期间保证室内解调仪对光纤光栅传感器的波长进行不间断采集。测试完成后，分别得到一天中7时，10时，13时，16时，19时左右的某一时刻下S1、S2、S3、S4传感器对应的温度值。拆除热电偶:为保证车辆行驶的安全性以及路面结构的完整性，在现场标定测量完成后，必须将现场测试热电偶拆除，并使用浙青砂对钻孔进行填充，防止水从空中进入路面内部对路面造成损坏。浙青路面绝对温度计算:根据现场不同时刻温度测量值，找到该时刻对应的光纤光栅传感器波长值，对S1、S2、S3、S4进行温度-波长的回归分析，分别得到各传感器对应的回归模型，同时得到各传感器的温度灵敏度系数和绝对温度标定初始值，通过计算即可得到对应光纤光栅温度传感器的绝对温度值。以S2传感器为例，现场标定回归分析结果如图3所示，通过传感器波长得计算得到的对应的温度如图4所示。由波长计算得到路面内部温度一天的变化情况如图5所示。本发明采用高精度热电偶，使用小型发电机、电炉、电锤、钢卷尺、电偶测试仪、光纤光栅解调仪等工具设备，通过在路面现场钻孔、热电偶安装、现场温度实测以及绝对温度计算等步骤，对已经埋设在浙青路面内部的光纤光栅温度传感器的温度灵敏度系数和绝对温度值进行标定，最终得到浙青路面内部的绝对温度值。方法新颖、简洁、可操作性强，方便适用于多种环境下的光 纤光栅温度传感器的标定。
权利要求
1.测量实际路面温度的光纤光栅传感器的标定方法，其特征是:它由以下步骤实现: 步骤一、在浙青层中的SMA-16上面层的底部、AC-20中面层的底部、IOcm AC-25下面层的底部和ATB-30基层的底部分别埋设一号光纤光栅温度传感器(SI)、二号光纤光栅温度传感器(S2)、三号光纤光栅温度传感器(S3)和四号光纤光栅温度传感器(S4)； 在浙青层中的SMA-16上面层、AC-20中面层、IOcm AC-25下面层和ATB-30基层中分别埋设一号热电偶(Dl)、二号热电偶(D2)、三号热电偶(D3)和四号热电偶(D4)； 步骤二、采用光纤光栅解调仪分别通过四根光纤以时间间隔Al对一号光纤光栅温度传感器(SI)的波长、二号光纤光栅温度传感器(S2)的波长、三号光纤光栅温度传感器(S3)的波长和四号光纤光栅温度传感器(S4)的波长进行NI次采集；A1为正数，NI为大于2的整数； 采用热电偶温度测量装置以时间间隔A2分别对一号热电偶(Dl)、二号热电偶(D2)、三号热电偶(D3)和四号热电偶(D4)进行N2次温度采集；N2为大于或等于2的整数；A2为正数； 步骤三、通过公式: Δ 入=a Ti Δ T i= 1、2、3或4 ;获得一号光纤光栅温度传感器(SI)、二号光纤光栅温度传感器(S2)、三号光纤光栅温度传感器(S3)或四号光纤光栅温度传感器(S4)的温度灵敏度系数aTi ；式中:Λ λ为NI次采集第i个光纤光栅温度传感器波长的变化量；Λ T为N2次采集第i个热电偶的温度变化量； 步骤四、通过公式:· T = T0+ a , Ti ( λ _ λ 0) 获得一号光纤光栅温度传感器(SI)、二号光纤光栅温度传感器(S2)、三号光纤光栅温度传感器(S3)或四号光纤光栅温度传感器(S4)的绝对温度标定值； 式中=Ttl为初始的标定温度；λ为第N次采集第i个光纤光栅温度传感器波长值；λ ^为初始标定光纤光栅温度传感器的波长值卢:=士； 完成测量实际路面温度的光纤光栅传感器的标定。
2.根据权利要求1所述的测量实际路面温度的光纤光栅传感器的标定方法，其特征在于一号光纤光栅温度传感器(SI)、二号光纤光栅温度传感器(S2)、三号光纤光栅温度传感器(S3)和四号光纤光栅温度传感器(S4)位于一条竖直的直线上，且均距离中央分隔带边缘的0.8mο
3.根据权利要求1所述的测量实际路面温度的光纤光栅传感器的标定方法，其特征在于一号热电偶(Dl)、二号热电偶(D2)、三号热电偶(D3)和四号热电偶(D4)距浙青层上表面的距离分别为5cm、12cm、22cm和34cm。
4.根据权利要求1所述的测量实际路面温度的光纤光栅传感器的标定方法，其特征在于A的取值为I分钟。
5.根据权利要求1所述的测量实际路面温度的光纤光栅传感器的标定方法，其特征在于NI的取值为1440。
6.根据权利要求1所述的测量实际路面温度的光纤光栅传感器的标定方法，其特征在于 N2的取值范围为5至15之间。
全文摘要
测量实际路面温度的光纤光栅传感器的标定方法，涉及一种光纤光栅传感器的标定方法。它是为了解决现有的采用室内试验室标定光纤光栅温度传感器的方法的绝对温度标定值和温度灵敏度系数相对于路面现场需求的误差大的问题。本发明采用高精度热电偶，使用小型发电机、电炉、电锤、钢卷尺、电偶测试仪、光纤光栅解调仪等工具设备，通过在路面现场钻孔、热电偶安装、现场温度实测以及绝对温度计算等步骤，对已经埋设在沥青路面内部的光纤光栅温度传感器的温度灵敏度系数和绝对温度值进行标定，最终得到沥青路面内部的绝对温度值。本发明适用于多种环境下的光纤光栅温度传感器的标定。
文档编号G01K15/00GK103234663SQ20131018426
公开日2013年8月7日 申请日期2013年5月17日 优先权日2013年5月17日
发明者董泽蛟, 李生龙, 温佳宇, 肖桂清 申请人:哈尔滨工业大学