一种基于光纤光栅应变测量系统的温度补偿方法与流程

本发明涉及应变测量，具体来说，涉及一种基于光纤光栅应变测量系统的温度补偿方法。

背景技术：

1、随着工业技术的迅速发展和人们对生活质量的要求不断提高，能源消耗量也逐渐增加。在这个背景下，风能作为一种重要的可再生清洁能源正成为新型能源电力系统中的主力资源之一。根据数据显示，2020年全国并网风电装机容量同比增长了34.6％，预计到2030年，风电装机容量将达到8.24亿千瓦。然而，随之而来的是风电机组的故障检测面临巨大挑战。

2、风机叶片作为风电机组最关键的组成部分之一，其成本约占整个风电机组成本的15％～20％。它承受着复杂恶劣的自然环境条件，如强风应变、沙粒冲刷、大气氧化、雷击以及潮湿空气腐蚀等。同时，在运行过程中，还会受到交变应变的作用。因此，风机叶片很容易出现各种故障，如气孔、裂缝、磨损、腐蚀、碳化等。如果不能及时发现和处理这些故障，将导致叶片严重损坏甚至折断，进而引发机组故障停机，给风电行业带来严重的经济损失。因此，对风机叶片进行状态监测和故障检测显得十分必要。

3、风机叶片的损伤往往会导致其变形、应力、应变、温度等参数发生明显的变化。因此，通过实时检测这些参数的变化，可以及时发现叶片的损伤情况，并采取相应的维护措施，以防止事故的发生。这就需要利用传感器和监测系统对叶片进行实时监测，收集并分析相关数据，从而判断叶片的状态是否正常。一旦发现异常，就可以及时修复或更换叶片，确保风电机组的平稳运行。光纤光栅应变测量系统就是针对叶片的应变搭建的高精度测量系统。由于光栅的波长变化量与应变量和温度变化量同时相关，同时解调系统的光学器件也受温度较大影响，为了降低温度对整个测量系统的影响，需要对温度敏感的光学器件进行解耦。

4、光纤光栅应变测量系统在温度变化下会受到以下几个主要影响。一是温度引起的应变。光纤光栅传感器的应变测量是基于光纤光栅中的光纤布拉格光栅的波长移动原理。当温度发生变化时，光纤材料会发生热膨胀或收缩，导致光栅的形变，进而引起光栅的布拉格峰位移。因此，温度变化会直接影响光纤光栅的应变测量结果。二是热传导效应。光纤光栅传感器通常与被测结构物或设备紧密接触，而温度变化会导致传导热量到光纤光栅传感器。这种热传导效应可能会使得光纤光栅的温度发生改变，从而对应变测量结果产生干扰。三是热膨胀差异。如果光纤光栅传感器和被测结构物或设备的热膨胀系数不一致，温度变化会导致两者之间出现位移或相对变形。这会对光纤光栅的应变测量结果产生影响，需要在测量和数据分析中进行相应的校正。

5、针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于光纤光栅应变测量系统的温度补偿方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、为此，本发明采用的具体技术方案如下：

3、一种基于光纤光栅应变测量系统的温度补偿方法，该方法包括以下步骤：

4、分别在光纤光栅传感器、边缘滤波器及光电探测器中均内置温度传感器，并利用各自的内置温度传感器进行实时温度的测量；

5、根据所述光纤光栅传感器的温度变化量建立温度与光纤布拉格光栅反射光波长变化量之间的关系；

6、根据所述边缘滤波器的温度变化量建立温度与滤波器中心波长变化量之间的线性关系；

7、根据所述光电探测器的温度变化量建立温度与探测器响应度变化量之间的关系；

8、利用温度与光纤布拉格光栅反射光波长变化量之间的关系、温度与滤波器中心波长变化量之间的线性关系及温度与探测器响应度变化量之间的关系综合分析温度对测量波长的影响；

9、根据温度对测量波长影响的分析结果对光纤光栅应变测量系统的测量波长进行实时补偿，实现对温度引起误差的消除。

10、进一步的，所述光纤光栅应变测量系统包括宽带光源、环形器、光纤光栅传感器、耦合器、边缘滤波器、光电探测器及信号采集处理电路；

11、其中，所述宽带光源，用于产生入射光；

12、所述环形器，用于将所述入射光导入光纤光栅传感器；

13、所述光纤光栅传感器，用于接收经过环形器的入射光并产生反射光；

14、所述耦合器，用于将来自光纤光栅传感器的反射光分为两路光，一路作为参考光路，另一路经过边缘滤波器作为测量光路；

15、所述边缘滤波器，用于对耦合器分离的另一路光进行滤波处理；

16、所述光电探测器，用于接收对应光路的光并转换为电信号；

17、所述信号采集处理电路，用于提取光电探测器输出的电信号中的有用信号并进行信号处理。

18、进一步的，所述分别在光纤光栅传感器、边缘滤波器及光电探测器中内置温度传感器包括：

19、在所述光纤光栅传感器中内置第一温度传感器；

20、在所述边缘滤波器中内置第二温度传感器；

21、在所述光电探测器中内置第三温度传感器。

22、进一步的，所述第一温度传感器、所述第二温度传感器及所述第三温度传感器均为热电偶或热敏电阻。

23、进一步的，所述温度与光纤布拉格光栅反射光波长变化量之间的关系的表达式为：

24、δλg＝k2*δt1*λg

25、式中，δλg表示光纤布拉格光栅反射光的波长变化数值；

26、k2表示光纤光栅传感器中温度传感器的变化数值系数；

27、δt1表示光纤光栅传感器中温度传感器的变化数值；

28、λg表示光纤布拉格光栅反射光的中心波长数。

29、进一步的，所述边缘滤波器为线性滤波器，且所述温度与滤波器中心波长变化量之间的线性关系通过测量不同温度下线性滤波器的中心波长，建立温度与中心波长变化量之间的线性回归方程得到。

30、进一步的，在测量不同温度下线性滤波器的中心波长时所述光纤光栅应变测量系统处于低温箱内的恒定环境下进行。

31、进一步的，所述温度与探测器响应度变化量之间的关系通过测量不同温度下光电探测器的响应电流，建立温度与响应电流变化量之间的关系得到。

32、进一步的，所述温度与探测器响应度变化量之间的关系的表达式为：

33、

34、式中，r表示光电探测器的响应度；

35、η表示量子效率；

36、q表示电子电荷；

37、hv表示入射光光子的能量。

38、进一步的，所述温度对测量波长的影响的表达式为：

39、δλ＝k1*δε+k2*δt1*λg+k3*δt2+k4*δt3

40、式中，δλ表示测量波长变化数值；

41、k1表示应变变化数值的变化数值系数；

42、δε表示应力变化数值；

43、k2表示光纤光栅传感器中温度传感器的变化数值系数；

44、δt1表示光纤光栅传感器中温度传感器的变化数值；

45、λg表示光纤布拉格光栅反射光的中心波长数；

46、k3表示边缘滤波器中温度传感器的变化数值系数；

47、δt2表示边缘滤波器中温度传感器的变化数值；

48、k4表示光电探测器中温度传感器的变化数值系数；

49、δt3表示光电探测器中温度传感器的变化数值。

50、本发明的有益效果为：本发明可以较大程度补偿光纤光栅应变传感器测量系统由于温度带来的测量误差，约在10pm范围内；与传统压电式传感器相比，本发明的测量精度与响应度均有较大优势，可以满足风机叶片的应变测量精度。此外，通过在光纤光栅应变测量系统中增加温度补偿可以有效地提高测量精度，无论在高温或者低温环境下，传感器的输出信号会利用本发明中的温度补偿方案得到较高的测量精度，从而可以有效的增加产品的测量精度、可靠性及重复性。