专利名称：矿用光纤光栅传感器的标定装置及标定方法
技术领域：
本发明涉及一种矿用传感器的标定装置及标定方法，特别是一种矿用光纤光栅传感器的标定装置及标定方法。
背景技术：
我国煤矿安全事故常有发生，使得国家及各部门对煤矿安全逐步重视。虽然我国煤矿安全监测得到很好的推广与应用，但是现有的煤矿安全监测领域仍受到前所未有的考验，对现有煤矿安全监测越来越重视，同时对其要求也越来越高。光纤光栅自问世以来，已广泛应用于光纤传感领域，特别是近年来，光纤光栅传感器的发展及应用。光纤光栅传感技术是随着光纤光栅制作技术的发展而崛起的一种崭新的传感技术。目前我国煤矿安全监测系统所用的均是传统的机械式或者电阻式传感器，而相比较传统的传感器，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度等优点。因此，将光纤光栅传感器用于石油、岩土、煤矿等领域扩展已成为趋势，并得到现场验证。虽然光纤光栅传感器发展迅速并且应用广泛，但是到目前为止，市场上没有专门的矿用光纤光栅传感器的标定装置及标定方法，现在社会上使用的光纤光栅传感器都是按照供货商提供的系数，属于通用系数，精确度低，当工作环境变化时，就会很大程度影响测量结果，特别是在煤矿这种特殊的工作环境，光纤光栅传感器测量的准确与否对煤矿的影响尤为致命。
发明内容
为了克服上述技术中的不足，本发明的目的是要提供一种实现电磁控制和手动控制、工作方便可靠、载荷可均匀加载、精确度高的矿用光纤光栅传感器的标定装置及标定方法。为实现本发明的目的，通过如下的技术方案实现:一种矿用光纤光栅传感器的标定装置包括:液压系统、保护柜、安置在保护柜外的油箱液位显示计、安置有高精度压力表和功能按钮的控制箱、安装有手动控制阀和电磁控制阀的操作台、液压站和安装有拉伸油缸的实验架，其中拉伸油缸通过油管与操作台连接，与拉伸油缸相连的油缸活塞杆安置在实验架内，夹具设置在实验架的一端，用于固定待标定构件；
液压系统包括:电磁换向阀、手动换向阀、油泵、电机、过滤器、溢流阀、压力转换器和油箱；电磁换向阀和手动换向阀的第一入口并联后同时与压力转换器和液压站的一端连接，压力转换器的另一端接压力表；电磁换向阀和手动换向阀的第二入口并联后同时与液压站的另一端连接，电磁换向阀和手动换向阀的出口串联后一端同时与油箱和溢流阀的一端连接，另一端与油泵的输出端连接，油泵的输入端通过过滤器接油箱，溢流阀的另一端接油箱。所述的高精度压力表能够显示加载载荷时的力，压力表量程为OMPa飞OMPa。所述的功能按钮包括启停按钮、启动指示灯、前进按钮和后退按钮，其功能是控制系统的启动与停止、指示装置的工作状态及控制拉伸油缸的伸缩动作。
所述的设在操作台上的手动控制阀和电磁控制阀串联在液压系统，其功能是分别独立操作控制拉伸油缸的工作方式。所述的液压站内所用为46#抗磨液压油。所述的拉伸油缸的缸径为160mm。所述的油缸活塞杆的直径为70mm,最大工作行程为1000mm。一种矿用光纤光栅传感器的标定装置及标定方法，所述的标定方法根据静态标定中比较法的标定思想可按如下步骤进行标定:
(1)安装:按照发明装置，根据不同结构的矿用光纤光栅传感器，将待标定的矿用光纤光栅传感器连接安装在正确的位置，矿用光纤光栅传感器通过光纤接到光纤光栅静态解调仪上，光纤光栅静态解调仪通过网线与安装有监测处理软件的电脑端连接；
(2)标定:
a、标定前；矿用光纤光栅传感器安装完毕，检查无误后，按下装置操作箱上的启动按钮，使装置进入工作状态；
b、标定中；按下操作箱上的前进和后退功能按钮控制油缸将油压作用在活塞杆上，使其伸长和缩进，活塞杆的动作可使光纤光栅传感器受力，并均匀加载压力，及时记录装置上高精度压力表上的压力数值；光纤光栅静态解调仪通过解调光纤的光波信号至电信号，电脑存储解调后的电信号并由监测处理软件记录标定时光纤光栅传感器的波长变化数值；
C、标定后；将记录的压力数值和光纤波长变化数值进行后期处理，得到压力-波长的关系曲线，并进行曲线拟合和回归分析，得到拟合曲线方程，从而完成对光纤光栅传感器线性度、灵敏度的标定； (3)光纤光栅传感器标定结束后，按下操作箱上的停止按钮使装置停止工作；
所述步骤(I)中的矿用光纤光栅传感器包括矿用光纤光栅应变传感器、矿用光纤光栅压力传感器、矿用光纤光栅位移传感器。所述步骤(2)的c中采用的曲线拟合的方法为最小二乘法，令标定过程中记录的
数据点(A，妁)Cf =0,1,2,…，
爾)表示压力数值和波长数值，其中.表示标定过程中压力加载次数，具体拟合过程如下步骤:
①由已知记录的数据点(A，Λ)画出函数粗略的图形——散点图，确定拟合多项式的次数Β ；
②根据确定的多项式次数η写出拟合曲线方程少=*^+ ^1+!.+1^，其中％、吟、…、为各项系数；
③根据数据(I，ν)及次数列表计算关于压力&的表达式;￡乓、f:#、
IRES 1-O1-0
的值和关于波长的表达式 *、、…、的值；
④由线性代数知识可知关于多项式系数巧、％、…、^的线性方程组，可用矩阵表示
为:
权利要求
1.一种矿用光纤光栅传感器的标定装置，其特征是:所述的标定装置包括:液压系统、保护柜(I)、安置在保护柜外的油箱液位显示计(2)、安置有高精度压力表(4)和功能按钮(5)的控制箱(3)、安装有手动控制阀(6)和电磁控制阀(7)的操作台(8)、液压站(9)和安装有拉伸油缸(11)的试验架(13)，其中拉伸油缸通过油管(10)与操作台连接，与拉伸油缸相连的油缸活塞杆(12)安置在实验架内，夹具(14)设置在实验架的一端，用于固定待标定构件； 液压系统包括:电磁换向阀(15)、手动换向阀(16)、油泵(17)、电机(18)、过滤器(19)、溢流阀(20)、压力转换器(21)和油箱(22);电磁换向阀(15)和手动换向阀(16)的第一入口并联后同时与压力转换器(21)和液压站(9)的一端连接，压力转换器(21)的另一端接压力表；电磁换向阀(15)和手动换向阀(16)的第二入口并联后同时与液压站(9)的另一端连接，电磁换向阀(15)和手动换向阀(16)的出口串联后一端同时与油箱(22)和溢流阀(20)的一端连接，另一端与油泵(17)的输出端连接，油泵(17)的输入端通过过滤器(19)接油箱(22)，溢流阀(20)的另一端接油箱(22)。
2.2.根据权利要求1所述的一种矿用光纤光栅传感器的标定装置，其特征在于:所述的高精度压力表(4)能够显示加载载荷时的力，压力表量程为OMPa飞OMPa。
3.根据权利要求1所述的一种矿用光纤光栅传感器的标定装置，其特征在于:所述的功能按钮(5)包括启停按钮、启动指示灯、前进按钮和后退按钮，其功能是控制系统的启动与停止、指示装置的工作状态及控制拉伸油缸的伸缩动作。
4.根据权利要求1所述的一种矿用光纤光栅传感器的标定装置，其特征在于:所述的设在操作台(8)上的手动控制阀(6)和电磁控制阀(7)串联在液压系统，其功能是分别独立操作控制拉伸油缸(11)的工作方式。
5.根据权利要求1所述的一种矿用光纤光栅传感器的标定装置，其特征在于:所述的拉伸油缸(11)的缸径为160mm。
6.根据权利要求1所述的一种矿用光纤光栅传感器的标定装置，其特征在于:所述的油缸活塞杆(12)的直径为70mm，最大工作行程为1000mm。
7.一种使用矿用光纤光栅传感器标定装置的标定方法，其特征在于:所述的标定方法根据静态标定中比较法的标定思想可按如下步骤进行标定: (1)安装；按照发明装置，根据不同结构的矿用光纤光栅传感器，将待标定的矿用光纤光栅传感器连接安装在正确的位置，矿用光纤光栅传感器通过光纤接到光纤光栅静态解调仪上，光纤光栅静态解调仪通过网线与安装有监测处理软件的电脑端连接； (2)标定；a、标定前；矿用光纤光栅传感器安装完毕，检查无误后，按下装置操作箱上的启动按钮，使装置进入工作状态； b、标定中；按下操作箱上的前进和后退功能按钮即可控制油缸将油压作用在活塞杆上，使其伸长和缩进，活塞杆的动作可使光纤光栅传感器受力，并均匀加载压力，及时记录装置上高精度压力表上的压力数值；光纤光栅静态解调仪通过解调光纤的光波信号至电信号，电脑存储解调后的电信号并由监测处理软件记录标定时光纤光栅传感器的波长变化数值； C、标定后；将记录的压力数值和光纤波长变化数值进行后期处理，得到压力-波长的关系曲线，并进行曲线拟合和回归分析，得到拟合曲线方程，从而完成对光纤光栅传感器线性度、灵敏度的标定； (3 )光纤光栅传感器标定结束后，按下操作箱上的停止按钮使装置停止工作。
8.根据权利要求7所述的一种矿用光纤光栅传感器的标定方法，其特征是所述步骤(I)中的矿用光纤光栅传感器包括矿用光纤光栅应变传感器、矿用光纤光栅压力传感器、矿用光纤光栅位移传感器。
9.根据权利要求7所述的一种矿用光纤光栅传感器的标定方法，其特征在于:所述步骤(2)的c中采用的曲线拟合的方法为最小二乘法，令标定过程中记录的数据点(^ Λ) (i =0，1，2，...，； )表示压力数值和波长数值，其中B1表示标定过程中压力加载次数，具体拟合过程如下步骤: ①由已知记录的数据点(A，Λ)画出函数粗略的图形——散点图，确定拟合多项式的次数》； ②根据确定的多项式次数η写出拟合曲线方程
全文摘要
一种矿用光纤光栅传感器的标定装置及标定方法，属于矿用传感器的标定装置及标定方法。所述的装置包括保护柜、安置在保护柜外的油箱液位显示计、安置有高精度压力表和功能按钮的控制箱、安装有手动控制阀和电磁控制阀的操作台、液压站和安装有拉伸油缸的试验架，其中拉伸油缸通过油管与操作台连接，与拉伸油缸相连的油缸活塞杆安置在实验架内，夹具设置在实验架的一端，用于固定待标定构件。当标定矿用光纤光栅传感器时，通过油缸将油压作用于传感器完成标定，油压加载过程平稳，保证了光纤光栅传感器受力均匀；可实现电磁和手动双重控制方式，能够无缝切换；装置启动快速、控制方便、安全可靠、通用性好，具有较大的实际应用价值。
文档编号G01D18/00GK103196481SQ20131013452
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月18日 优先权日2013年4月18日
发明者方新秋, 梁敏富, 刘晓宁, 吕明俊 申请人:中国矿业大学