一种具有可追踪校准的光纤光栅传感器测量系统

本发明涉及传感器测量技术领域，具体涉及一种具有可追踪校准的光纤光栅传感器测量系统。

背景技术：

电子传感器通常测量在参数(如温度或应变)的影响下被测物体某一电性质的变化，而光纤传感器测量物体光学特性的变化，通过光纤将探测光传输到传感器，然后光信号返回到信号处理仪器，光纤传感器具有抗电磁干扰、传输损耗小等优点。光纤布拉格光栅(fiberbragggratings，fbg)传感器，是一种使用频率最高，范围最广的光纤传感器，这种传感器可以根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。由于fbg传感器中的光纤和光栅都是绝缘体，具有被动性电学特性，并且不受电磁感应噪声的影响，因此被广泛应用于很多利基应用中，如基础设施或油井监测。由于不同的应用场景需要不同数量、不同范围的fbg传感器，所以fbg传感器的设计和制造通常是针对每个应用定制的，无法批量生产且成本较高。

目前，采用双波长差分检测技术(dwdd)对传感器进行测量，在测量时，fbg传感器的测量范围与其具有的光谱带宽ws成正比，当fbg传感器位于测量范围的中心时，其中心波长λs等于dwdd仪器发射的两个探测波长之间的中心波长λc。如果所有的dwdd仪器都工作在相同的波长λc，则所有的fbg传感器便具有相同的量程，即可实现fbg传感器和dwdd仪器的标准化设计，有利于批量制造。但每个dwdd仪器的操作特性以及每个fbg传感器的实际响应总是各不相同，只有二者都能满足可追踪校准的要求，并且具有互操作性时，才能在实际应用中广泛部署dwdd仪器和相关fbg传感器系统。

目前采用的校准技术是通过dwdd仪器发射的两个探测波长的间隔(δ＝λ+-λ-)和两个探测波长之间的中心波长λc对fbg传感器进行校准，随着dwdd仪器中dfb激光二极管的老化，其校准效果会出现偏差不够准确且不具有可追踪性，需重新校准较为麻烦。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是现有的dwdd仪器对fbg传感器的校准效果不够准确且不可追踪，需要定期重新校准较为麻烦，因此，本发明提供一种具有可追踪校准的光纤光栅传感器测量系统，以实现对双波长差分检测仪器和fbg传感器的可追踪校准，提高校准准确率。

本发明通过下述技术方案实现：

一种具有可追踪校准的光纤光栅传感器测量系统，包括标准单元gc、参考单元rc、标准双波长差分检测仪器gi、待校准双波长差分检测仪器iuc和待校准传感器suc；所述标准单元gc设置在所述标准双波长差分检测仪器的中心位置；其中，所述待校准传感器指需要校准的fbg传感器；

将所述标准单元gc作为标准双波长差分检测仪器gi的实时参考，用来校准待校准传感器suc，在待校准双波长差分检测仪器iuc中使用参考单元rc，通过标准单元gc对所述待校准双波长差分检测仪器iuc和所述参考单元rc进行校准。

进一步地，所述标准单元gc中包括两个fbg传感器，将标准单元gc中的两个fbg传感器作为标准传感器，两个标准传感器测得的信号gs1和gs2连接到标准双波长差分检测仪器gi中的两个信号通道上，其余待校准传感器测得的信号连接到标准双波长差分检测仪器gi中剩余的信号通道上。

进一步地，将所述标准单元gc作为标准双波长差分检测仪器gi的实时参考，用来校准待校准传感器suc，包括：

将所述待校准传感器suc和标准单元gc中的两个标准传感器分别连接至标准双波长差分检测仪器gi上；

所述标准双波长差分检测仪器gi对两个标准传感器测得的信号gs1和gs2进行归一化处理，得到两个标准传感器的归一化信号和

将两个标准传感器的归一化信号和的差值作为k^*，即

所述标准双波长差分检测仪器gi根据待校准传感器的测量参数m和标准单元gc的归一化信号s^m，构建一条曲线s^m(m)；所述测量参数m中的元素为m，各元素m的值不同；

获取所述测量参数m的反函数值m(δ)，并基于所述测量信号s^m和所述测量参数m的反函数值m(δ)构建s^m(δ)曲线；

通过校正因子对所述s^m(δ)曲线进行修正，得到真实测量信号s^c和δc，其中，s^c为标准双波长差分检测仪器gi在标准波长间隔δ^*和标准中心波长情况下测得的信号，δc为根据待校准传感器suc的中心波长λs与标准平均波长的差值确定的测量参数m的给定值；

基于所述s^c和δc对测量参数m进行校正，以完成对待校准传感器suc的校准。

进一步地，所述校正因子包括：

式中，k^m为待校准传感器的第一校正因子，为待校准传感器的测量参数为m时对应的第一测量信号归一化处理后的信号，为待校准传感器的测量参数为m时对应的第二测量信号归一化处理后的信号，δd为待校准传感器第二校正因子，和为标准传感器测得的信号gs1和gs2对应的归一化处理后的信号，δ^*为标准波长间隔，标准波长间隔指标准双波长差分检测仪器gi发射的两束波长的间隔，δ^m为测量波长间隔，测量波长间隔指标准双波长差分检测仪器gi在测量参数为m时的波长间隔；

所述通过校正因子对所述s^m(δ)曲线进行修正，具体为：

进一步地，计算测量参数m的校正值公式具体为：

式中，为测量参数m的校正值，m为待校准传感器的测量参数，δc为根据待校准传感器suc的中心波长与标准平均波长的差值确定的测量参数m的给定值，s^c为标准双波长差分检测仪器gi在标准波长间隔δ^*和标准中心波长情况下测得的信号。

进一步地，所述具有可追踪校准的光纤光栅传感器测量系统还包括光谱扫描仪ssi和校准工作台cb；

将所述待校准传感器suc插入到所述校准工作台cb中，并将所述待校准传感器suc的中心波长λs通过所述工作台cb传输给所述光谱扫描仪ssi；

所述光谱扫描仪ssi基于所述待校准传感器suc的中心波长λs、标准平均波长和初始测量参数m0，通过测量参数计算公式计算得到测量参数m；所述测量参数计算公式具体为：

根据所述测量参数计算公式，得到所述测量参数m的反函数值m(δ)。

进一步地，所述具有可追踪校准的光纤光栅传感器测量系统还包括：

所述参考单元rc中包括两个fbg传感器，将参考单元rc中的两个fbg传感器作为参考传感器rc1和rc2；将正在校准的传感器sum连接到校准双波长差分检测仪器ci的一个信号通道上，参考传感器rc1和rc2连接到校准双波长差分检测仪器ci的另外两个个信号通道上；

所述校准双波长差分检测仪器ci通过所述参考单元rc的归一化信号s^im对正在校准的传感器sum的被测信号进行校正，得到被测参数m′的校正值；

具体修正过程如下：

式中，为正在校准的传感器suc的第一校正因子，为正在校准的传感器suc的测量参数为m时对应的第一测量信号归一化处理后的信号，为正在校准的传感器的测量参数为m时对应的第二测量信号归一化处理后的信号，δd′为正在校准的传感器suc的第二校正因子，δ^*为标准波长间隔，标准波长间隔指标准双波长差分检测仪器gi发射的两束波长的间隔，δ^im为待校准双波长差分检测仪器iuc在测量参数为m时的波长间隔，s^im为参考单元rc基于测量参数m的归一化信号；所述测量参数m中的元素为m，各元素m的值不同。

进一步地，当待校准双波长差分检测仪器iuc校准时获得的值为参考传感器的测量参数为m时对应的信号rc1和rc2进行归一化处理后的信号和的差值，即则

其中，k^i*为待校准双波长差分检测仪器iuc中的校正因子，k^*为两个标准传感器的归一化信号和的差值，为待校准双波长差分检测仪器iuc在两个标准传感器的测量参数为m时对应的信号gs1和gs2进行归一化处理后的信号和的差值，

进一步地，传感器的测量信号s进行归一化处理的计算公式为:

式中，α为参考传感器的中心波长对温度的依赖系数，λ为参考传感器的中心波长，t为参考传感器感知的温度。

进一步地，所述标准单元gc和所述参考单元rc中均包括两个具有理论上光谱响应和半峰全宽wr相同的fbg传感器，两个所述fbg传感器以双波长差分检测仪器的标准中心波长为中心，分布在中心的两侧；

参考单元rc中的两个参考传感器的光谱带宽wr等于或小于标准单元gc中的两个标准传感器的光谱带宽，两个所述标准传感器和两个所述参考传感器设置在中心波长λc周围，且波长上相隔一个带宽wr。

需要说明的是，上述理论上光谱响应和半峰全宽wr相同的参考传感器可以是光谱响应和半峰全宽wr完全相同的传感器，也可以是实践中允许的光谱响应和半峰全宽wr差异范围内的两个传感器。

本发明提供的一种具有可追踪校准的光纤光栅传感器测量系统，包括标准单元gc、参考单元rc、标准双波长差分检测仪器gi、待校准双波长差分检测仪器iuc和待校准传感器suc；标准单元gc设置在标准双波长差分检测仪器的中心位置；其中，待校准传感器指需要校准的fbg传感器；将标准单元gc作为标准双波长差分检测仪器gi的实时参考，用来校准待校准传感器suc，在待校准双波长差分检测仪器iuc中使用参考单元rc，通过标准单元gc对待校准双波长差分检测仪器iuc和参考单元rc进行校准，以实现对双波长差分检测仪器和fbg传感器的可追踪校准。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一种具有可追踪校准的光纤光栅传感器测量系统的示意图。

图2为本发明实施例中改变λs和δ对两个参考传感器的响应曲线的影响。

图3为本发明实施例中两个参考传感器的光谱，以及在附近的两个探测波长的理想位置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明提供一种具有可追踪校准的光纤光栅传感器测量系统，包括标准单元gc、参考单元rc、标准双波长差分检测仪器gi、待校准双波长差分检测仪器iuc和待校准传感器suc；标准单元gc设置在标准双波长差分检测仪器的中心位置；其中，待校准传感器指需要校准的fbg传感器。

将标准单元gc作为标准双波长差分检测仪器gi的实时参考，用来校准待校准传感器suc，在待校准双波长差分检测仪器iuc中使用参考单元rc，通过标准单元gc对待校准双波长差分检测仪器iuc和参考单元rc进行校准。

具体地，在理想情况下，fbg传感器测量的信号的线性响应与fbg传感器的中心波长成函数关系，图2说明改变中心波长λs和波长间隔δ对fbg传感器的响应曲线的影响。两条实线是fgb传感器s1和s2的响应。如果激光二极管的中心波长移动，那么两条曲线以相同的方式水平移动，如图2(a)中的虚线所示。在这种情况下，一方面，fgb传感器s1和s2测量的信号sr1、sr2之间的差改变，而它们的总和保持不变；另一方面，波长间隔δ的变化改变了两条曲线的斜率，而它们的x轴截距保持不变，在这种情况下，s1和s2测量的信号之和改变。因此，了解信号sr1、sr2的和、差能提供必要的信息，以区分上述两种效应，并增加fgb传感器测量信号时所需的校正因子。

当使用dwdd技术时，测量参数m的测量范围限制在fbg传感器的中心波长λc在测量参数m的影响下能够覆盖的范围内，并对fbg传感器测量的信号s保持一个可接受的信噪比(snr)。通常fbg传感器的中心波长λs在测量范围的中心等于λc，当测量参数m的变化使λs上升或下降时，反射信号减少，降低了差分检测仪器检测信号的信噪比，差分检测仪器测量信号的分辨率与信噪比直接相关。通常，选择fbg传感器的半峰全宽ws的范围作为测量参数的测量范围。

在dwdd技术中，差分检测仪器的测量范围与分辨率的比值为δ/ws(定义为在噪声之上可以检测到的信号的最小变化)。ws是由测量范围的要求决定的，所以优化分辨率需要波长间隔δ最大化。然而，δ/ws也有一个实际的限制，超过这个限制，fbg传感器的响应就变得过于非线性。通常，δ/ws＝0.4是可以接受的，在实践中，分布式反馈激光器(distributedfeedbacklaser，dfb激光器)可获得的δ有一个限制，dwdd仪器的δ/ws大约是0.1。

为了保证校准在规定的差分检测仪器分辨率范围内，本实施例采用比传感器本身的半峰全宽更小的半峰全宽wr作为参考光纤光栅，以提高用于参考的fbg传感器(即参考传感器)的信号测量分辨率，从而提高差分检测仪器的δ/wr比值。本实施例将两个参考传感器之间的最佳波长间隔设置为两个参考传感器的中心波长间隔一个半峰全宽wr。

本实施例中，两个参考传感器在理论上具有相同的光谱响应和半峰全宽wr以及最大的反射率，以双波长差分检测仪器的标准中心波长为中心，对称分布在该中心两侧，波长间隔δ大体上等于它们的半峰全宽wr，wr应当等于或小于系统中使用的标准fbg传感器的半峰全宽ws。图3显示了两个参考传感器rc1和rc2的光谱，以及在标准中心波长附近的两个探测波长的理想位置。

在实际情况中，两个参考传感器必可避免的会存在差异，当存在差异时，两个参考传感器的斜率和截距将不同于理想值。因此，有必要考虑这种差异，并在计算校正因子时将其响应标准化。特别是，两个参考传感器的半峰全宽wr可能略有不同，这将导致其对应的斜率不同。此外，光谱可能不是纯高斯，这将导致一个非线性响应曲线。

本实施例中，参考传感器基于其工作温度的响应曲线的局部斜率是通过测量参考传感器中的信号sr1、sr2作为温度的函数来确定的。通过充分表征由相同设计和材料组成的光纤制成的相似的fbg传感器的热响应，可以将各自的响应与各传感器的波长联系起来。信号sr1和sr2除以它们的导数ar1和ar2，作为波长的函数。

具体地，将上述两个参考传感器设置在一个小的温度间隔的参考单元中，则参考传感器的响应可以近似为一个线性函数。各参考传感器的响应归一化处理后，其对应的曲线和相对于(λc-λri)的斜率是1，其中，λri为参考传感器的中心波长(i＝1或2)。在这种情况下，在波长轴上的截距等于归一化信号在λc-λri＝0处的值，差分信号直接与δ相关。另外，本实施例将信号sr1和sr2的总和定义为与在两个参考传感器中心波长之间的中心波长直接相关。

本实施例提供的一种具有可追踪校准的光纤光栅传感器测量系统包括标准中心波长和标准波长间隔δ^*，以参照标准单元gc，通过标准波长差分检测仪器gi完成对待校准传感器suc的校准。标准波长差分检测仪器gi通过标准单元gc作为内部参考进行实时校正，以校正标准波长差分检测仪器gi内部的参考单元rc的响应。

进一步地，标准单元gc中包括两个fbg传感器，将标准单元gc中的两个fbg传感器作为标准传感器，两个标准传感器测得的信号gs1和gs2连接到标准双波长差分检测仪器gi中的两个信号通道上，其余待校准传感器测得的信号连接到标准双波长差分检测仪器gi中剩余的信号通道上。本实施例中两个标准传感器在理论上具有相同的光谱响应和半峰全宽wr以及最大的反射率，以双波长差分检测仪器的标准中心波长为中心，对称分布在该中心两侧，波长间隔δ大体上等于它们的半峰全宽wr，wr应当等于或小于系统中使用的标准fbg传感器的半峰全宽ws。

具体地，为将传感器维持在一个精确已知的温度，本实施例将标准单元gc中的两个参考传感器fbg设置在标准单元gc中预先设定好的定点单元上，(如镓定点单元)，本实施例的两个标准传感器的光谱带宽wr等于或小于待测传感器的光谱带宽，两个标准传感器fbg设置在中心波长λc周围，且波长上相隔一个带宽wr。

进一步地，将标准单元gc作为标准双波长差分检测仪器gi的实时参考，用来校准待校准传感器suc，包括：

如图1(e)所示，将待校准传感器suc和标准单元gc中的两个标准传感器分别连接至标准双波长差分检测仪器gi上。

标准双波长差分检测仪器gi对两个标准传感器测得的信号gs1和gs2进行归一化处理，得到两个标准传感器的归一化信号和

将两个标准传感器的归一化信号和的差值作为k*，即

标准双波长差分检测仪器gi根据待校准传感器的测量参数m和标准单元gc的归一化信号s^m，构建一条曲线s^m(m)。测量参数m中的元素为m，各元素m的值不同。

获取测量参数m的反函数值m(δ)，并基于测量信号s^m和测量参数m的反函数值m(δ)构建s^m(δ)曲线。

通过校正因子对s^m(δ)曲线进行修正，得到真实测量信号s^c和δc，其中，s^c为标准双波长差分检测仪器gi在标准波长间隔δ^*和标准中心波长情况下测得的信号，δc为根据待校准传感器suc的中心波长λs与标准平均波长的差值确定的测量参数m的给定值。

基于s^c和δc对测量参数m进行校正，以完成对待校准传感器suc的校准。

进一步地，如图1(a)所示，首先将两个标准传感器插入一个可变温度单元(vtc)中，然后通过标准波长差分检测仪器gi测量两个标准传感器测得的信号gs(包括gs1和gs2)的斜率值并记录和对于两个标准传感器中，当标准波长差分检测仪器gi中的波长间隔δ＝δ^m，m为测量参数m中的元素，则两个标准传感器测得的信号进行归一化处理后，得到的归一化信号的和、差信号为:

式中，λg1和λg1为两个标准传感器的中心波长，λc为标准波长差分检测仪器gi中需要校准的平均波长。

如图1(b)所示，当的数值被记录后，两个标准传感器就被安装在标准单元(gc)中，该标准单元保持恒定和精确的已知温度。当则标准波长差分检测仪器gi中需要校准的平均波长λc＝(λg1+λg2)/2，即标准波长差分检测仪器gi中需要校准的平均波长λc需设置在两个标准传感器中心波长的中心进行校准，校准后的平均波长λc则为标准中心波长将两个标准传感器测得的信号gs1和gs2的差值记为k^*作为常量，通过计算后续用到的双波长差分检测仪器(即待校准双波长差分检测仪器iuc)的中心波长和测得的信号的差值，与标准中心波长和k^*的偏差，对待校准双波长差分检测仪器iuc进行校准。

在校准待校准双波长差分检测仪器iuc时，给定两个由标准双波长差分检测仪器gi测得的信号和待校准双波长差分检测仪器iuc测得的信号和的差值记为的常量k^m，则

因此：

校准待校准双波长差分检测仪器iuc测量时的中心波长是其与标准中心波长的偏差δd为

式中，k^m为待校准传感器的第一校正因子，为待校准传感器的测量参数为m时对应的第一测量信号归一化处理后的信号，为待校准传感器的测量参数为m时对应的第二测量信号归一化处理后的信号，δd为待校准传感器第二校正因子，和为标准传感器测得的信号gs1和gs2对应的归一化处理后的信号，δ^*为标准波长间隔，标准波长间隔指标准双波长差分检测仪器gi发射的两束波长的间隔，δ^m为测量波长间隔，测量波长间隔指标准双波长差分检测仪器gi在测量参数为m时的波长间隔。

如图1(c)所示，待校准双波长差分检测仪器iuc的校准过程为：首先，调整工作温度，使测量的两个标准传感器发送的信号gs(包括gs1和gs2)的和信号为0，即:

以使待校准双波长差分检测仪器iuc的平均波长

然后，通过得到

将两个参考传感器测得信号rs(包括rs1和rs2)进行归一化处理，并归一化后的信号之和调整为0，即

以使两个参考传感器之间的中心波长等于

最后，当标准传感器和参考传感器的信号和均为0时，两个参考传感器测得信号rs的差值信号被记录下来，即当待校准双波长差分检测仪器iuc校准时获得的值为参考传感器的测量参数为m时对应的信号rc1和rc2进行归一化处理后的信号和的差值，

待校准双波长差分检测仪器iuc在测量时，波长间隔δ^im满足：

其中：

进一步地，当待校准双波长差分检测仪器iuc校准时获得的值为参考传感器的测量参数为m时对应的信号rc1和rc2进行归一化处理后的信号和的差值，即则

其中，k^i*为待校准双波长差分检测仪器iuc中的校正因子，k^*为两个标准传感器的归一化信号和的差值，为待校准双波长差分检测仪器iuc在两个标准传感器的测量参数为m时对应的信号gs1和gs2进行归一化处理后的信号和的差值，

如图1(e)所示，首先从标准双波长差分检测仪器gi测量的信号建立一条曲线s^m(m)，然后使用m(δ)建立s^m(δ)。对于每次测量的s^m(m)，修正s^m和δ到它们的真实值s^c和δc，如果波长间隔δ^*是和平均波长是一样的，就可以得到测量参数m的校正值即：

通过校正因子对s^m(δ)曲线进行修正，具体为：

测量参数m的校正值公式具体为：

式中，为测量参数m的校正值，m为待校准传感器的测量参数，δc为根据待校准传感器suc的中心波长与标准平均波长的差值确定的测量参数m的给定值，s^c为标准双波长差分检测仪器gi在标准波长间隔δ^*和标准中心波长情况下测得的信号。

进一步地，该系统还包括光谱扫描仪ssi和校准工作台cb。

如图1(d)所示，将待校准传感器suc插入到校准工作台cb中，并将待校准传感器suc的中心波长λs通过工作台cb传输给光谱扫描仪ssi。

光谱扫描仪ssi基于待校准传感器suc的中心波长λs、标准平均波长和初始测量参数m0，通过测量参数计算公式计算得到测量参数m。测量参数计算公式具体为：

根据测量参数计算公式，得到测量参数m的反函数值m(δ)。

进一步地，一种具有可追踪校准的光纤光栅传感器测量系统还包括：

参考单元rc中包括两个fbg传感器，将参考单元rc中的两个fbg传感器作为参考传感器rc1和rc2；将正在校准的传感器sum连接到校准双波长差分检测仪器ci的一个信号通道上，参考传感器rc1和rc2连接到校准双波长差分检测仪器ci的另外两个个信号通道上。

校准双波长差分检测仪器ci通过参考单元rc的归一化信号s^im对正在校准的传感器sum的被测信号进行校正，得到被测参数m′的校正值。

具体修正过程如下：

式中，为正在校准的传感器suc的第一校正因子，为正在校准的传感器suc的测量参数为m时对应的第一测量信号归一化处理后的信号，为正在校准的传感器的测量参数为m时对应的第二测量信号归一化处理后的信号，δd′为正在校准的传感器suc的第二校正因子，δ^*为标准波长间隔，标准波长间隔指标准双波长差分检测仪器gi发射的两束波长的间隔，δ^im为待校准双波长差分检测仪器iuc在测量参数为m时的波长间隔，s^im为参考单元rc基于测量参数m的归一化信号。测量参数m中的元素为m，各元素m的值不同。

进一步地，传感器的测量信号s进行归一化处理的计算公式为：

式中，α为参考传感器的中心波长对温度的依赖系数，λ为参考传感器的中心波长，t为参考传感器感知的温度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。