一种光纤光栅拉力传感器标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光纤光栅拉力传感器标定系统，属于光电子测量器件技术领域。【背景技术】
[0002] 我国是从20世纪90年代中后期开展光纤光栅的研宄工作，由于时逢国民经济建 设高潮，因此，从起步阶段，光纤光栅就与传感检测联系在一起。目前，光纤光栅在电力、建 筑、石化、生物医疗中的应用已成了推动我国光纤传感器产业发展的重要动力。光纤传感器 基于光纤材料，与传统的电式传感器有本质上的区别，因此，我国光纤传感器技术的推动以 高校、科研院所为主。
[0003]目前国内研宄机构对光纤光栅传感器的研宄主要是在光纤光栅传感器材料性能、 工程测量应用等方面，对于光纤光栅传感器准确度检测标定方面大部分处于手工操作，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检测、标定 工作成为制约其发展的重要因素。
[0004]目前国内实现光纤光栅传感器准确度自动检测标定的机构比较少，如：山东大学 的《光纤光栅温度传感器信号解调及其自动标定系统设计》主要是针对光纤光栅温度传感 器实现自动标定；南京大学的《基于B0TDR的分布式光纤传感器标定实验研宄》主要是针对 光纤光栅温度、拉力传感器的自动标定。针对光纤光栅温度、压力、拉力、应力拉力、位移、倾 角传感器等多参量的自动检测和标定系统目前还未见相关文献报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的正是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种光纤光栅拉力 传感器的标定方法及其过程，解决光纤光栅拉力传感器的标定问题。
[0006]本发明的技术方案如下：
[0007] -种光纤光栅拉力传感器的标定方法，包括如下步骤：
[0008] 步骤S1，对光纤光栅拉力传感器进行预载，先用力标准机将光纤光栅拉力传感器 预载至满量程FN，然后降至空载；
[0009] 步骤S2,判断光纤光栅拉力传感器预载过程是否超过2次；
[0010] 步骤S3,判断比较结果，即预载次数K是否大于等于3次；如果是，则进行步骤4; 否则，返回步骤S1;
[0011] 步骤S4,将光纤光栅拉力传感器安装，并成工作状态，用多波长计记录光纤光栅拉 力传感器的输出波长值入i;
[0012] 步骤S5,选择检测点，以测量下限为检测起始点，其检测点间隔一般取测量上限的 (M-1) %，在测量范围内，至少检测包括零位在内的M个点，各点应大致均勾分布；
[0013] 步骤S6,光纤光栅拉力传感器受力轴线逐点递增标准力值匕，至各检测点保持稳 定lOmin后记录相应进程波长值A,和光纤光栅拉力传感仪表的拉力示值Xi;
[0014] 步骤S7,判断测量次数N是否大于等于检测点个数M-1;如果是，则进行步骤S8; 否则，返回步骤S6;
[0015] 步骤S8,逐点递减卸载标准力值，至各检测点保持稳定lOmin后记录相应回程波 长值Xi和光纤光栅拉力传感仪表的拉力不值Xi;
[0016] 步骤S9,判断测量次数N是否大于等于检测点个数M-1;如果是，则结束测量；否 贝1J，返回步骤S8;
[0017] 步骤S10,该检测过程连续进行3次，计算光纤光栅拉力传感仪的示值误差、回零 误差，重复性，灵敏度，拟合误差和线性度。
[0018] 2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅拉力传感器标定方法，其特征在于，所述 步骤S10中，
[0019] a)灵敏度
[0020]
(1)
[0021] 式中：S为光纤光栅传感器的灵敏度，灵敏度由最小二乘法计算；FiS标定第i点 的标准器的标准值；A,为第i标定点多波长计测量的中心波长值；n为测量次数；
[0022] b)拟合误差
[0023] - . ⑵[0024]其中：
(3) (4)
[0026] 式中：AA,为第i标定点的拟合误差，测量值与拟合值的差值；Ai为第i标定点 多波长计测量的中心波长值；$为第i标定点的拟合值；匕为标定第i点的标准器的标准 值；b为基准点；
[0027] c)线性度
[0028]
(5)
[0029] 式中：Q为线性度，拟合误差A人，的最大值与输出满量程之比；A人_为拟合误 差A\的最大值；XFSS光纤光栅传感器输出波长的量程。
[0030] 本发明的有益效果是：该标定装置通过最小二乘法将解码仪读出数和量值计算的 物理参量交叉对比方式测出传感器的静态标定系数，并进行误差分析和不确定度分析。采 用光波长计对光纤光栅解调仪进行标定将标定精度溯源到国家标准，为光纤光栅传感仪表 提供准确的检测依据，大大提高了仪表检定的工作效率和标定精度。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明的标定流程图。
【具体实施方式】
[0032] 以下通过【具体实施方式】，并结合附图对本发明作进一步说明。
[0033] 一种光纤光栅拉力传感器的标定方法，包括如下步骤：
[0034]步骤S1，对光纤光栅拉力传感器进行预载，先用力标准机将光纤光栅拉力传感器 预载至满量程FN，然后降至空载；
[0035] 步骤S2,判断光纤光栅拉力传感器从满量程Fglj空载这个预载过程是否满足3 次；
[0036] 步骤S3,判断比较结果，即预载次数K是否为3;如果是，则进行步骤4;否则，返回 步骤S1;
[0037] 步骤S4,将光纤光栅拉力传感器安装，并成工作状态，用多波长计记录光纤光栅拉 力传感器的输出波长值入i;
[0038] 步骤S5,选择检测点，以测量下限为检测起始点，其检测点间隔一般取测量上限的 (M-1) %，在测量范围内，至少检测M个点（包括零位），各点应大致均匀分布；
[0039] 步骤S6,光纤光栅拉力传感器受力轴线逐点递增标准力值匕，至各检测点保持稳 定lOmin后记录相应进程波长值A,和光纤光栅拉力传感仪表的拉力示值Xi;
[0040] 步骤S7,判断测量次数N是否大于等于检测点个数M;如果是，则进行步骤S8;否 贝1J，返回步骤S6;
[0041] 步骤S8,逐点递减卸载标准力值，至各检测点保持稳定lOmin后记录相应回程波 长值Xi和光纤光栅拉力传感仪表的拉力不值Xi;
[0042] 步骤S9,判断测量次数N是否大于等于检测点个数M;如果是，则结束测量；否则， 返回步骤S8;
[0043] 步骤S10,该检测过程连续进行3次，计算光纤光栅拉力传感仪的示值误差、回零 误差和重复性；其各个指标计算方式如下：
[0044]a)灵敏度
[0045]
[0046] 式中：s为光纤光栅传感器的灵敏度（单位：nm/kN)，灵敏度由最小二乘法计算；匕 为标定第i点的标准器的标准值（单位：kN);A,为第i标定点多波长计测量的中心波长 值（单位：nm) ;n为测量次数；
[0047]b)拟合误差
[0048]
[0049] 其中：！7=从;+A
[0050]
[0051] 式中：AAi为第i标定点的拟合误差（单位：nm)，测量值与拟合值的差值；M 为第i标定点多波长计测量的中心波长值（单位：nm) ;iy为第i标定点的拟合值（单位： nm) ;F#标定第i点的标准器的标准值（单位：kN);b为基准点（单位：nm);
[0052] c)线性度
[0053]
[0054] 式中：Q为线性度，拟合误差AA啲最大值与输出满量程之比；AA_为拟合误 差AA啲最大值（单位：nm) ;AFS为光纤光栅传感器输出波长的量程（单位：nm)。
[0055] 上面结合附图对本发明的【具体实施方式】作了详细说明，但是本发明并不限于上述 实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前 提下作出各种变化。
【主权项】
1. 一种光纤光栅拉力传感器的标定方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤S1，对光纤光栅拉力传感器进行预载，先用力标准机将光纤光栅拉力传感器预载 至满量程？1<，然后降至空载； 步骤S2,判断光纤光栅拉力传感器预载过程是否超过2次； 步骤S3,判断比较结果，即预载次数K是否大于等于3次；如果是，则进行步骤4 ;否则， 返回步骤S1 ; 步骤S4,将光纤光栅拉力传感器安装，并呈工作状态，用多波长计记录光纤光栅拉力传 感器的输出波长值入i; 步骤S5,选择检测点，以测量下限为检测起始点，其检测点间隔一般取测量上限的 (M-1) %，在测量范围内，至少检测包括零位在内的M个点，各点应大致均勾分布； 步骤S6,光纤光栅拉力传感器受力轴线逐点递增标准力值匕，至各检测点保持稳定lOmin后记录相应进程波长值A,和光纤光栅拉力传感仪表的拉力示值Xi; 步骤S7,判断测量次数N是否大于等于检测点个数M-1 ;如果是，则进行步骤S8 ;否则， 返回步骤S6 ; 步骤S8,逐点递减卸载标准力值，至各检测点保持稳定lOmin后记录相应回程波长值Xi和光纤光栅拉力传感仪表的拉力不值Xi; 步骤S9,判断测量次数N是否大于等于检测点个数M-1 ;如果是，则结束测量；否则，返 回步骤S8 ; 步骤S10,该检测过程连续进行3次，计算光纤光栅拉力传感仪的示值误差、回零误差， 重复性，灵敏度，拟合误差和线性度。2. 根据权利要求1所述的一种光纤光栅拉力传感器标定方法，其特征在于，所述步骤 S10 中， a) 灵敏度式中：s为光纤光栅传感器的灵敏度，灵敏度由最小二乘法计算；匕为标定第i点的标 准器的标准值；A,为第i标定点多波长计测量的中心波长值；n为测量次数； b) 拟合误差 AAy=Aj-AfC2) 其中= (3)i 式中：AA,为第i标定点的拟合误差，测量值与拟合值的差值；Ai为第i标定点多波 长计测量的中心波长值；^为第i标定点的拟合值；匕为标定第i点的标准器的标准值；b 为基准点； C)线性度式中：q为线性度，拟合误差AA,的最大值与输出满量程之比；AA_为拟合误差A入i的最大值；XFSS光纤光栅传感器输出波长的量程。
【专利摘要】一种光纤光栅拉力传感器标定方法，包括对光纤光栅拉力传感器进行预载；判断光纤光栅拉力传感器预载过程是否满足3次；判断预载次数K是否大于等于3；记录光纤光栅拉力传感器工作状态的输出波长值；选择检测点，递增光纤光栅拉力，至各检测点保持稳定后记录相应进程波长值和拉力示值；判断测量次数是否大于等于检测点个数；逐点递减卸载标准力值，至各检测点保持稳定后记录相应回程波长值和拉力示值；判断测量次数是否大于等于检测点个数等步骤，检测过程连续进行3次，计算光纤光栅拉力传感仪的示值误差、回零误差和重复性。本发明提高了光纤光栅传感器标定结果的精度。
【IPC分类】G01L25/00
【公开号】CN104990668
【申请号】CN201510358378
【发明人】王恩, 曹敏, 肖范, 李川, 刘爱莲, 李博, 翟少磊
【申请人】云南电网有限责任公司电力科学研究院, 昆明理工大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年6月25日