低温至室温温度区间光纤光栅温度传感器标定系统及方法
阅读说明：本技术 低温至室温温度区间光纤光栅温度传感器标定系统及方法 (Calibration system and method for fiber grating temperature sensor in temperature range from low temperature to room temperature ) 是由 刘延超 尹立坤 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：一种低温至室温温度区间光纤光栅温度传感器标定系统及方法,它包括标定装置、低温杜瓦、光纤光栅解调仪、温度数据采集卡、直流电源、固态继电器、信号驱动数据卡和上位机,标定装置固定于低温杜瓦内,光纤光栅解调仪和温度数据采集卡与标定装置和上位机连接,直流电源、固态继电器和信号驱动数据卡依次串联后与标定装置和上位机连接,上位机控制信号驱动数据卡产生输出电压信号,驱动固态继电器控制标定装置中加热丝的通电与关断,实现加热与冷却,实现光纤光栅温度传感器从77K-393K温度区间内的温度标定。(A calibration system and method for a fiber grating temperature sensor in a temperature range from low temperature to room temperature comprises a calibration device, a low-temperature Dewar, a fiber grating demodulator, a temperature data acquisition card, a direct current power supply, a solid-state relay, a signal driving data card and an upper computer, wherein the calibration device is fixed in the low-temperature Dewar, the fiber grating demodulator and the temperature data acquisition card are connected with the calibration device and the upper computer, the direct current power supply, the solid-state relay and the signal driving data card are sequentially connected in series and then connected with the calibration device and the upper computer, the upper computer controls the signal driving data card to generate an output voltage signal, and the solid-state relay is driven to control the energization and the shutoff of a heating wire in the calibration device, so that heating and cooling are realized, and the temperature calibration of the fiber grating temperature sensor in the temperature range from 77K to 393K is realized.)
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种低温至室温温度区间光纤光栅温度传感器标定系统及方法。
背景技术
光纤光栅传感器具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、易于复用等特点，其特殊的材质和性能，使得其被认为是可以替代传统电信号传感器应用于腐蚀、低温、强电磁干扰等极端环境下的传感器件。不同于其他类型的光纤传感器，光纤光栅传感器是波长解调的传感器，宽带光源打出一束光，这束光经过传输光纤到达光纤光栅部位，经过光纤光栅后，满足布拉格条件波长的光将会被反射回检测电路，被反射回的光带有温度、应变等物理信息，通过解调反射光的波长，即可得到被测点的温度、应变等信息。同常规传感器一样，在用光纤光栅传感器进行绝对温度测量时，都要对传感器进行温度标定，即通过实验的方法确定光纤光栅温度传感器的波长和温度之间的定量关系。
想要通过实验的方法确定光纤光栅温度传感器的波长和温度之间的定量关系，实现传感器的标定，其核心是如何为被测光纤光栅传感器提供温度可调的环境，即要有合适的光纤光栅传感器标定装置。对于光纤光栅传感器的非极端环境（293K-393K）下的应用，其通用的标定方法有水浴标定法和温箱标定法，室温以上的温度可变环境非常易于获取。而对于将光纤光栅温度传感器等用于超导磁体温度（77K-293K）测量等极端环境时，由于涉及到液氮制冷等复杂的技术以及前沿的科学领域，目前还没有成熟的标定装置及方法。
中国专利申请号：201910758936.3，专利名称：一种基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置，提出了一种液氮传导冷却对光纤光栅传感器进行温度标定的方法，该方法利用液氮传导制冷可以实现77K-293K温度区间内传感器的标定，然而该方法标定耗时长，需要耗费大量的液氮，此外，该方法只能实现77K-293K温度区间的标定，不能同时对更高温度区间（293K-）进行标定。
中国专利申请号：201811085366.8，专利名称：一种基于BP神经网络的FBG温度标定方法，提出了一种用BP神经网络实现光纤光栅温度传感器（FBG）标定的方法，该方法敲定了BP神经网络在光纤光栅温度传感器波长和温度数据处理中的应用，并没有给出具体的温度改变方式以及标定装置具体设计。
中国专利申请号：201911182291.X，专利名称：一种基于电磁感应加热的光纤光栅温度传感器标定装置，提出了一种用电磁感应加热实现光纤光栅温度传感器标定的方法，然而该方法只能实现293K以上温度的标定，并不具备低温温度标定的能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低温至室温温度区间光纤光栅温度传感器标定系统及方法，该系统简单、方便、易于制作且能实现光纤光栅温度传感器从77K-393K温度区间内的温度标定。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种低温至室温温度区间光纤光栅温度传感器标定系统，它包括标定装置、低温杜瓦、光纤光栅解调仪、温度数据采集卡、直流电源、固态继电器、信号驱动数据卡和上位机；所述标定装置固定于低温杜瓦内，光纤光栅解调仪和温度数据采集卡与标定装置和上位机连接，直流电源、固态继电器和信号驱动数据卡依次串联后与标定装置和上位机连接。
所述标定装置包括固定基板上侧连接的隔热罩，固定板位于隔热罩两侧与隔热罩连接。
所述固定基板上侧面设置加热槽，加热槽位于隔热罩内，位于加热槽内设置加热丝，铜板位于加热丝上，线孔从固定基板侧面贯穿至加热槽内。
所述隔热罩为下侧开口的中空箱体，中空箱体下侧的开口端与固定基板上侧的环形槽配合，铜管穿过隔热罩深入到铜板上方。
所述低温杜瓦的腔体内壁设置隔热层，环氧树脂层与隔热层贴合。
所述低温杜瓦的杜瓦盖上设置加注孔和引线管，杜瓦盖下侧的凸起部与低温杜瓦的腔体内壁配合密封。
所述低温杜瓦的腔体底部设置连接柱与标定装置的固定板连接固定。
所述铜管为一端封闭的中空管体，封闭端位于隔热罩内，中空管体内设置光纤光栅温度传感器和参考传感器，光纤光栅温度传感器与光纤光栅解调仪连接，参考传感器与温度数据采集卡连接，光纤光栅解调仪和温度数据采集卡通过以太网或USB与上位机连接，直流电源与加热丝电性连接。
所述上位机控制信号驱动数据卡产生输出电压信号，驱动固态继电器控制标定装置中加热丝的通电与关断，实现加热与冷却。
如上所述的低温至室温温度区间光纤光栅温度传感器标定系统的标定方法，它包括如下步骤：
S1，安装样本，将样本、光纤光栅温度传感器和参考传感器置于铜管内，采用密封胶封堵铜管的端口，光纤光栅温度传感器和参考传感器的数据线引出至铜管外；
S2，安装标定装置，打开杜瓦盖，将标定装置的固定板与低温杜瓦腔体内的连接柱连接固定；
S3，引线，将加热丝的导线、光纤光栅温度传感器和参考传感器的数据线从杜瓦盖的引线管引出，采用密封胶封堵引线管端口，杜瓦盖与低温杜瓦配合密封；加注孔与液氮设备的加注管连接；
S4，连接，加热丝的导线与直流电源电性连接，光纤光栅温度传感器和参考传感器的数据线分别与光纤光栅解调仪和温度数据采集卡连接；
S5，低温区间标定，温度区间范围77K-293K；
S5-1，运行上位机的程序，实时显示并保存待测光纤光栅温度传感器及参考传感器的温度数据；此步骤中，固态继电器为关闭状态；
S5-2，液氮设备向低温杜瓦中添加液氮，直至液氮将标定装置完全浸泡在液氮中；观察上位机实时显示的光纤光栅温度传感器波长数据以及参考传感器的温度数据；此时，以上两组数据出现明显的下降趋势，待参考传感器的温度数据降至77K，并在设定时间范围内持续稳定保持77K以后，开始进行光纤光栅温度传感器的标定；
S5-3，调节直流电源的输出电流按钮，使其输出电流为I1，点击上位机程序中的控制按钮，控制信号驱动数据卡产生驱动电压信号，驱动固态继电器开通；此时，直流电源开始以电流I1对铜板进行加热，观察参考传感器和光纤光栅温度传感器的温度变化曲线，并同时保存数据，待参考传感器和光纤光栅温度传感器的曲线全部稳定在设定数值及设定时间范围后，点击上位机程序中的控制按钮关闭电源；
S5-4，对2分钟时间内的稳定数据进行取平均值处理，平均值处理后所得的数据即为一个温度标定点的数据；
S5-5，重复S5-3 、S5-4，依次改变直流电源的电流为I1…In，相应地对应温度为T1…Tn,，并分别采集不同通电电流下的持续设定时间内稳定在设定数值的参考传感器温度和光纤光栅温度传感器波长数据，直到达到标定目标温度Tn=293K，利用采集的不同通电电流下的温度和波长的稳定数据对光纤光栅传感器77K-293K之间的温度标定；
S6，高温区间标定，温度区间范围293K-393K；
S6-1，重复S5-1；
S6-2，观察上位机实时显示的光纤光栅温度传感器波长数据以及参考传感器的温度数据；待参考传感器的温度数据保持稳定在293K及设定时间范围以后，开始进行光纤光栅温度传感器的标定；
依次重复S5-3、S5-4；
再重复S5-5，在S5-5中，直到达到标定目标温度Tn=393K，利用采集的不同通电电流下的温度和波长的稳定数据对光纤光栅传感器293K-393K之间的温度标定。
本发明的有益效果主要体现于：
该系统采用加热丝、铜板为核心部件的标定装置对光纤光栅温度传感器进行标定，标定装置放置在设计的低温杜瓦内，可以实现在77K-393K甚至更高温度区间内光纤光栅温度传感器的温度标定。
该系统中标定装置及低温杜瓦的结构简单，标定方法简单，用时少、效率高，采用在密封的低温杜瓦内充入液氮，减少液氮的挥发，节约液氮，经济性高。
该系统中的光纤光栅温度传感器和参考传感器采用密封胶与铜管进行密封，铜管的尺寸等参数可以根据实际需求进行拓展，实现一次完成多根光纤光栅温度传感器的的标定。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的标定系统图。
图2为本发明低温杜瓦的主视示意图。
图3为图2的俯视示意图。
图4为本发明标定装置的结构示意图。
图5为本发明标定装置的固定基板的结构示意图。
图6为本发明铜管与铜板连接的结构示意图。
图7为图6的侧视示意图。
图8为本发明隔热罩的结构示意图。
图中：标定装置1，固定基板11，隔热罩12，固定板13，加热槽14，加热丝15，铜板16，线孔17，铜管18，低温杜瓦2，隔热层21，环氧树脂层22，杜瓦盖23，加注孔24，引线管25，连接柱26，光纤光栅解调仪3，温度数据采集卡4，直流电源5，固态继电器6，信号驱动数据卡7，上位机8。
具体实施方式
如图1~图8中，一种低温至室温温度区间光纤光栅温度传感器标定系统，它包括标定装置1、低温杜瓦2、光纤光栅解调仪3、温度数据采集卡4、直流电源5、固态继电器6、信号驱动数据卡7和上位机8；所述标定装置1固定于低温杜瓦2内，光纤光栅解调仪3和温度数据采集卡4与标定装置1和上位机8连接，直流电源5、固态继电器6和信号驱动数据卡7依次串联后与标定装置1和上位机8连接。使用时，标定装置1位于密封的低温杜瓦2内，光纤光栅温度传感器和参考传感器位于标定装置1内，低温杜瓦2内充入氮气的情况下实现低温区间标定，温度区间范围77K-293K，低温杜瓦2内不充入氮气的情况下实现高温区间标定，温度区间范围293K-393K，甚至更高温度。
优选地，参考传感器的型号为PT100。
优选地，上位机8的程序软件为Labview。
优选的方案中，所述标定装置1包括固定基板11上侧连接的隔热罩12，固定板13位于隔热罩12两侧与隔热罩12连接。固定基板11、固定板13为环氧树脂材料，有利于提高低温环境下的机械性能；隔热罩12设置有夹层，夹层内填充泡沫材料，用于隔热待测样本所处环境温度与外界温度的交换。
优选的方案中，所述固定基板11上侧面设置加热槽14，加热槽14位于隔热罩12内，位于加热槽14内设置加热丝15，铜板16位于加热丝15上，线孔17从固定基板11侧面贯穿至加热槽14内。铜板16与加热丝15通过专用低温导热胶固定，加热丝15与加热槽14通过专用低温导热胶固定，线孔17用于穿过加热丝15的导线，导线引出后通过低温环氧树脂对线孔17进行密封。
优选的方案中，所述隔热罩12为下侧开口的中空箱体，中空箱体下侧的开口端与固定基板11上侧的环形槽配合，铜管18穿过隔热罩12深入到铜板16上方。铜管18通过专用低温导热胶固定于铜板16上，隔热罩12与固定基板11配合后，采用低温密封胶进行密封。
优选的方案中，所述低温杜瓦2的腔体内壁设置隔热层21，环氧树脂层22与隔热层21贴合。环氧树脂具有良好的低温机械性，隔热层21可以减小低温杜瓦2内部和外部的温度交换，使得低温杜瓦2内的温度更加稳定，同时在进行低温标定时，减少液氮的浪费。
优选的方案中，所述低温杜瓦2的杜瓦盖23上设置加注孔24和引线管25，杜瓦盖23下侧的凸起部与低温杜瓦2的腔体内壁配合密封。加注孔24与液氮设备的输送管连接，用于低温标定时液氮的添加；为了减少液氮的浪费，以及添加液氮时对样本温度造成扰动，将用于添加液氮的输送管通过加注孔24先插入低温杜瓦2的底部，然后通过输送管缓慢的向低温杜瓦2内添加液氮直至液氮淹没标定装置1，液氮添加完毕后用泡沫密封塞将加注孔24塞住以减小低温杜瓦2内温度和外部温度的热交换。
优选地，标定装置1内的光纤光栅温度传感器和参考传感器的数据线以及加热丝15的导线皆从引线管25引出，引出后采用密封胶封堵引线管25端口。
优选的方案中，所述低温杜瓦2的腔体底部设置连接柱26与标定装置1的固定板13连接固定。连接柱26用于连接标定装置1，将标定装置1固定于低温杜瓦2的腔体内。
优选的方案中，所述铜管18为一端封闭的中空管体，封闭端位于隔热罩12内，中空管体内设置光纤光栅温度传感器和参考传感器，光纤光栅温度传感器与光纤光栅解调仪3连接，参考传感器与温度数据采集卡4连接，光纤光栅解调仪3和温度数据采集卡4通过以太网或USB与上位机8连接，直流电源5与加热丝15电性连接。样本、光纤光栅温度传感器和参考传感器从铜管18的开口端置于铜管18内后，采用密封胶进行封堵固定，便于拆卸，有利于更换。
优选地，上位机8的Labview程序实现光纤光栅温度传感器波长的解调、显示与存储。
优选地，上位机8的Labview程序实现参考传感器温度数据的显示与存储。
优选的方案中，所述上位机8控制信号驱动数据卡7产生输出电压信号，驱动固态继电器6控制标定装置1中加热丝15的通电与关断，实现加热与冷却。
优选地，加热丝15与直流电源5的电路中串接有固态继电器6和信号驱动数据卡7，信号驱动数据卡7通过以太网或USB与上位机8连接，标定时，直流电源5为常开状态，上位机8控制信号驱动数据卡7产生输出电压信号，从而驱动固态继电器6的开通和关断，实现标定装置1中加热丝15的通电与关断，达到加热与冷却。
优选地，上述技术方案中，根据是否向低温杜瓦2中添加液氮，标定可以分为两种情况，实现两个温度区间的标定。当向低温杜瓦2中添加液氮时，液氮将标定装置1浸泡在液氮中，通过传导冷却的方式使得标定装置1中的光纤光栅温度传感器所处环境位置温度降为77K，此时可以，实现77K-293K温度区间的标定；不加液氮时，标定装置1中光纤光栅温度传感器所处环境位置起始温度与室温293K相同，可以实现293K-393K甚至更高温度区间的标定。
优选地，上述方案中涉及到的设备的控制程序皆集成在一个上位机8的Labview程序中，实现所有设备的实时、同步运行，Labview程序界面可以实现标定程序的实时显示、可视化以及数据存储、后处理。
优选的方案中，如上所述的低温至室温温度区间光纤光栅温度传感器标定系统的标定方法，它包括如下步骤：
S1，安装样本，将样本、光纤光栅温度传感器和参考传感器置于铜管18内，采用密封胶封堵铜管18的端口，光纤光栅温度传感器和参考传感器的数据线引出至铜管18外；
S2，安装标定装置，打开杜瓦盖23，将标定装置1的固定板13与低温杜瓦2腔体内的连接柱26连接固定；
S3，引线，将加热丝15的导线、光纤光栅温度传感器和参考传感器的数据线从杜瓦盖23的引线管25引出，采用密封胶封堵引线管25端口，杜瓦盖23与低温杜瓦2配合密封；加注孔24与液氮设备的加注管连接；
S4，连接，加热丝15的导线与直流电源5电性连接，光纤光栅温度传感器和参考传感器的数据线分别与光纤光栅解调仪3和温度数据采集卡4连接；
S5，低温区间标定，温度区间范围77K-293K；
S5-1，运行上位机8的程序，实时显示并保存待测光纤光栅温度传感器及参考传感器的温度数据；此步骤中，固态继电器6为关闭状态；
S5-2，液氮设备向低温杜瓦2中添加液氮，直至液氮将标定装置1完全浸泡在液氮中；观察上位机8实时显示的光纤光栅温度传感器波长数据以及参考传感器的温度数据；此时，以上两组数据出现明显的下降趋势，待参考传感器的温度数据降至77K，并在设定时间范围内持续稳定保持77K以后，开始进行光纤光栅温度传感器的标定；
S5-3，调节直流电源5的输出电流按钮，使其输出电流为I1，点击上位机8程序中的控制按钮，控制信号驱动数据卡7产生驱动电压信号，驱动固态继电器6开通；此时，直流电源5开始以电流I1对铜板16进行加热，观察参考传感器和光纤光栅温度传感器的温度变化曲线，并同时保存数据，待参考传感器和光纤光栅温度传感器的曲线全部稳定在设定数值及设定时间范围后，点击上位机8程序中的控制按钮关闭电源；
S5-4，对2分钟时间内的稳定数据进行取平均值处理，平均值处理后所得的数据即为一个温度标定点的数据；
S5-5，重复S5-3 、S5-4，依次改变直流电源5的电流为I1…In，相应地对应温度为T1…Tn,，并分别采集不同通电电流下的持续设定时间内稳定在设定数值的参考传感器温度和光纤光栅温度传感器波长数据，直到达到标定目标温度Tn=293K，利用采集的不同通电电流下的温度和波长的稳定数据对光纤光栅传感器77K-293K之间的温度标定；该步骤中，温度上升幅度及速率，通过安装前改变铜板16的厚度以及加热丝15的参数进行控制。
S6，高温区间标定，温度区间范围293K-393K；
S6-1，重复S5-1；
S6-2，观察上位机8实时显示的光纤光栅温度传感器波长数据以及参考传感器的温度数据；待参考传感器的温度数据保持稳定在293K及设定时间范围以后，开始进行光纤光栅温度传感器的标定；
依次重复S5-3、S5-4；
再重复S5-5，在S5-5中，直到达到标定目标温度Tn=393K，利用采集的不同通电电流下的温度和波长的稳定数据对光纤光栅传感器293K-393K之间的温度标定。该步骤中，实现293K-393K以外更高温度区间的标定，取决于直流电源5以及铜板16和加热丝15的参数设计。该方法不仅能够实现光纤光栅传感器低温区间标定，温度区间范围77K-293K，还可实现温度区间范围为293K-393K的区间标定。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
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