測量實際路面溫度的光纖光柵傳感器的標定方法
2023-05-12 05:14:06 2
專利名稱：測量實際路面溫度的光纖光柵傳感器的標定方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖光柵傳感器的標定方法。
背景技術：
浙青混合料是一種粘彈塑性材料，具有明顯的感溫性能和流變特性。浙青路面是由浙青混合料鋪築而成層狀構築物，應力場和溫度場的共同作用會對浙青路面的路用性能產生重大影響，因此，浙青路面溫度場是研究浙青路面路用性能的基礎工作之一。研究路面溫度場分布的方法，一種是通過對太陽輻射、大氣溫度和材料熱特性分析而得到的理論模型預估方法，另一種則是通過路面現場實測方法來獲得路面的實際溫度。路面實測方法中一種是採用電子測溫計對路表溫度進行測量，另一種則是在路面內部安裝溫度傳感器對路面溫度進行實測。採用電子測溫計通常只能得到路面表面溫度，數據不夠充分。在路面內部安裝的傳感器，最常使用的類型是電學溫度傳感器，但這類傳感器因受到傳輸導線電阻影響大，所以很難實現遠距離測量，進而使得長期連續溫度監測成為困難。光纖光柵傳溫度感器，因其具有高靈敏、高精度、高穩定性及較強的抗電磁場能力，近年來越來越多地被應用到土木工程領域。使用光纖光柵傳溫度感器對浙青路面進行長期監測具有巨大的優越性，在實際項目採用光纖光柵傳感器測量浙青路面內部溫度，能夠滿足浙青路面溫度場的遠距離長期連續觀測，具有較高的實用價值，目前已在實際項目中得到應用。根據光纖光柵傳感器的溫度測量原理，我們知道傳感器的溫度變化和波長改變具有良好的線性關係，如 公式(I)所示。但是由於光纖光柵傳感器的特性，它是通過反射波長變化來計算溫度的變化，得到的結果也是一段時間內的溫度變化值，若想得到待測物體的絕對溫度值，則必須對傳感器進行絕對溫度的標定。Δ λ = α τΔΤ (I)式中:Λ λ——傳感器反射波長變化；α τ——傳感器溫度靈敏度係數；Δ T——溫
度變化量。對於光纖光柵傳感器的標定，絕大多數研究米用在室內試驗室標定，然後用於實際浙青路面中，傳感器的絕對溫度標定值和溫度靈敏度係數採用試驗室標定結果。但是根據研究發現，傳感器的絕對溫度標定值和溫度靈敏度係數在埋入路面前後發生了巨大變化，且無規律可循。因此，合理的標定方法應當是在光纖光柵傳感器埋入路面內部後，再對傳感器的絕對溫度值和靈敏度係數進行標定。但是目前還沒有路面現場光纖光柵溫度傳感器絕對溫度和靈敏度係數的標定方法。
發明內容
本發明是為了解決現有的採用室內試驗室標定光纖光柵溫度傳感器的方法的絕對溫度標定值和溫度靈敏度係數相對於路面現場需求的誤差大的問題，從而提供一種測量實際路面溫度的光纖光柵傳感器的標定方法。
測量實際路面溫度的光纖光柵傳感器的標定方法，它由以下步驟實現:步驟一、在浙青層中的SMA-16上面層的底部、AC-20中面層的底部、IOcm AC-25下面層的底部和ATB-30基層的底部分別埋設一號光纖光柵溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3和四號光纖光柵溫度傳感器S4 ；在浙青層中的SMA-16上面層、AC-20中面層、IOcm AC-25下面層和ATB-30基層中分別埋設一號熱電偶D1、二號熱電偶D2、三號熱電偶D3和四號熱電偶D4 ；步驟二、採用光纖光柵解調儀分別通過四根光纖以時間間隔Al對一號光纖光柵溫度傳感器SI的波長、二號光纖光柵溫度傳感器S2的波長、三號光纖光柵溫度傳感器S3的波長和四號光纖光柵溫度傳感器S4的波長進行NI次採集；A1為正數，NI為大於2的整數；
米用熱電偶溫度測量裝置以時間間隔A2分別對一號熱電偶Dl、二號熱電偶D2、三號熱電偶D3和四號熱電偶D4進行N2次溫度採集；N2為大於或等於2的整數；A2為正數；步驟三、通過公式:Δ λ = a Ti ΔΤi = 1、2、3或4 ;獲得一號光纖光柵溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3或四號光纖光柵溫度傳感器S4的溫度靈敏度係數a Ti ；式中:Λ λ為NI次採集第i個光纖光柵溫度傳感器波長的變化量；Λ T為N2次採集第i個熱電偶的溫度變化量；步驟四、通過公式:T = T0+ α 1 Ti ( λ - λ 0)獲得一號光纖光柵溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3或四號光纖光柵溫度傳感器S4的絕對溫度標定值；式中=Ttl為初始的標定溫度；λ為第N次採集第i個光纖光柵溫度傳感器波長值；λ ^為初始標定光纖光柵溫度傳感器的波長值； αr=1/αr，完成測量實際路面溫度的光纖光柵傳感器的標定。—號光纖光柵溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3和四號光纖光柵溫度傳感器S4位於一條豎直的直線上，且均距離中央分隔帶邊緣的 0.8mο一號熱電偶Dl、二號熱電偶D2、三號熱電偶D3和四號熱電偶D4距浙青層上表面的距離分別為5cm、12cm、22cm和34cm。本發明在路面現場的標定光纖光柵溫度傳感器，獲得光纖光柵溫度傳感器的絕對溫度標定值和溫度靈敏度係數。本發明方法新穎、簡潔、可操作性強，方便適用於多種環境下的光纖光柵溫度傳感器的標定。
圖1是本發明中光纖光柵溫度傳感器和熱電偶埋設在浙青層的位置示意圖；其中B表示浙青層中的SMA-16上面層、C表示AC-20中面層、D表示IOcm AC-25下面層和E表示ATB-30基層；
圖2是本發明的測量原理示意圖；圖3是具體實施方式
二中24小時中路面溫度變化引起的光纖光柵傳感器波長隨時間變化量的仿真示意圖；圖4是具體實施方式
二中24小時中路面溫度變化引起的光纖光柵傳感器波長隨溫度變化量的仿真示意圖；圖5是具體實施方式
二中根據波長計算得到路面內部溫度的24小時的變化量仿
真示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結合圖1和圖2說明本具體實施方式
，測量實際路面溫度的光纖光柵傳感器的標定方法，它由以下步驟實現:步驟一、在浙青層中的SMA-16上面層的底部、AC-20中面層的底部、IOcm AC-25下面層的底部和ATB-30基層的底部分別埋設一號光纖光柵溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3和四號光纖光柵溫度傳感器S4 ；在浙青層中的SMA-16上面層、AC-20中面層、IOcm AC-25下面層和ATB-30基層中分別埋設一號熱電偶D1、二號熱電偶D2、三號熱電偶D3和四號熱電偶D4 ；步驟二、採用光纖光柵解調儀分別通過四根光纖以時間間隔Al對一號光纖光柵溫度傳感器SI的波長、二號光纖光柵溫度傳感器S2的波長、三號光纖光柵溫度傳感器S3的波長和四號光纖光柵溫度傳感器S4的波長進行NI次採集；A1為正數，NI為大於2的整數； 採用熱電偶溫度測量裝置以時間間隔A2分別對一號熱電偶Dl、二號熱電偶D2、三號熱電偶D3和四號熱電偶D4進行N2次溫度採集；N2為大於或等於2的整數；A2為正數；步驟三、通過公式:Δ λ = a Ti Δ Ti = 1、2、3或4 ;獲得一號光纖光柵溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3或四號光纖光柵溫度傳感器S4的溫度靈敏度係數a Ti ；式中:Λ λ為NI次採集第i個光纖光柵溫度傳感器波長的變化量；Λ T為N2次採集第i個熱電偶的溫度變化量；步驟四、通過公式: T = T0+ α ' Ti ( λ - λ 0)獲得一號光纖光柵溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3或四號光纖光柵溫度傳感器S4的絕對溫度標定值；式中=Ttl為初始的標定溫度；λ為第N次採集第i個光纖光柵溫度傳感器波長值；λ ^為初始標定光纖光柵溫度傳感器的波長值押=長;完成測量實際路面溫度的光纖光柵傳感器的標定。—號光纖光柵 溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3和四號光纖光柵溫度傳感器S4位於一條豎直的直線上，且均距離中央分隔帶邊緣的 0.8mο
—號熱電偶Dl、二號熱電偶D2、三號熱電偶D3和四號熱電偶D4距浙青層上表面的距離分別為5cm、12cm、22cm和34cm。
具體實施方式
二、本具體實施方式
與具體實施方式
一所述的測量實際路面溫度的光纖光柵傳感器的標定方法的區別在於，一號光纖光柵溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3和四號光纖光柵溫度傳感器S4位於一條豎直的直線上，且均距離中央分隔帶邊緣的0.Sm。一號熱電偶Dl、二號熱電偶D2、三號熱電偶D3和四號熱電偶D4距浙青層上表面的距離分別為5cm、12cm、22cm和34cm。A的取值為I分鐘。NI的取值為1440。N2的取值範圍為5至15之間。以下通過待測現場實際數據說明本發明:現場情況:高速公路現場B處的路面結構為四層浙青層和兩層半剛性基層，浙青層材料從上到下分別為SMA-16、AC-20、AC-25和ATB-30。路面修築期間，在路面內部埋設了光纖光柵溫度傳感器S1、S2、S3、S4，水平方向距離中央分隔帶邊緣0.Sm位置處，豎向分別位於浙青層SMA-16、AC-20、AC-25的各層底部，且處在同一條豎直線上。通過長距離光纜將四個光纖光柵傳感器連接至距離傳感器埋設點IOkm的A位置處監測室內的光纖光柵解調儀上，解調儀可對傳感器的波長進行實時監測。如圖2所示。使用本發明方法對S1、S2、S3、S4四個光纖光柵溫度傳感器進行靈敏度係數和絕對溫度值標定。鑽孔:根據現場光纖光柵傳感器埋設情況，在沿車輛行駛方向，距離光纖光柵傳感器水平方向20cm、30cm、40cm和50cm位置處,用粉筆進行標記。現場米用小型發電機對電錘供電，使用電錘在路面上標記位置處鑽孔，鑽孔直徑1.5cm 2cm，深度分別對應待測浙青層底部距尚路表面的距尚。孔①深5cm、孔②深 12cm、孔③深22cm，孔④深34cm，鑽孔後將鑽孔灰掏出。如圖1所示。安裝熱電偶:用於標定路面光纖光柵溫度傳感器的熱電偶，需比現場光纖光柵溫度傳感器的測量精度高一個數量級。將實驗室標定好的高精度熱電偶Dl、D2、D3、D4，分別插入已經鑽好的①、②、③、④四個孔中，根據深入長度判斷是否熱電偶測頭是否已經達到預定待測點。使用發電機對電爐供電，用電爐加熱浙青。浙青加熱後灌入安裝有熱電偶的孔洞中，過程應迅速、穩定，保證浙青在硬化前充滿孔洞，使熱電偶與路面材料傳熱均勻。溫度測試:現場熱電偶安裝完成後返回A處監測室內，啟動光纖光柵解調儀，開始對S1、S2、S3、S4四個光纖光柵傳感器波長進行米集,每隔一分鐘取一個值。以S2傳感器為例，其波長在一天的變化情況如圖3所示。根據圖3，通過對波長變化情況的分析，選定傳感器標定時刻為7時，10時，13時，16時，19時左右對現場溫度進行測試。在現場熱電偶安裝完成24小時後可對傳感器進行標定，即在選定的標定時刻到路面現場對熱電偶溫度進行實測，並記錄測試時間，現場測試期間保證室內解調儀對光纖光柵傳感器的波長進行不間斷採集。測試完成後，分別得到一天中7時，10時，13時，16時，19時左右的某一時刻下S1、S2、S3、S4傳感器對應的溫度值。拆除熱電偶:為保證車輛行駛的安全性以及路面結構的完整性，在現場標定測量完成後，必須將現場測試熱電偶拆除，並使用浙青砂對鑽孔進行填充，防止水從空中進入路面內部對路面造成損壞。浙青路面絕對溫度計算:根據現場不同時刻溫度測量值，找到該時刻對應的光纖光柵傳感器波長值，對S1、S2、S3、S4進行溫度-波長的回歸分析，分別得到各傳感器對應的回歸模型，同時得到各傳感器的溫度靈敏度係數和絕對溫度標定初始值，通過計算即可得到對應光纖光柵溫度傳感器的絕對溫度值。以S2傳感器為例，現場標定回歸分析結果如圖3所示，通過傳感器波長得計算得到的對應的溫度如圖4所示。由波長計算得到路面內部溫度一天的變化情況如圖5所示。本發明採用高精度熱電偶，使用小型發電機、電爐、電錘、鋼捲尺、電偶測試儀、光纖光柵解調儀等工具設備，通過在路面現場鑽孔、熱電偶安裝、現場溫度實測以及絕對溫度計算等步驟，對已經埋設在浙青路面內部的光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏度係數和絕對溫度值進行標定，最終得到浙青路面內部的絕對溫度值。方法新穎、簡潔、可操作性強，方便適用於多種環境下的光 纖光柵溫度傳感器的標定。
權利要求
1.測量實際路面溫度的光纖光柵傳感器的標定方法，其特徵是:它由以下步驟實現: 步驟一、在浙青層中的SMA-16上面層的底部、AC-20中面層的底部、IOcm AC-25下面層的底部和ATB-30基層的底部分別埋設一號光纖光柵溫度傳感器(SI)、二號光纖光柵溫度傳感器(S2)、三號光纖光柵溫度傳感器(S3)和四號光纖光柵溫度傳感器(S4)； 在浙青層中的SMA-16上面層、AC-20中面層、IOcm AC-25下面層和ATB-30基層中分別埋設一號熱電偶(Dl)、二號熱電偶(D2)、三號熱電偶(D3)和四號熱電偶(D4)； 步驟二、採用光纖光柵解調儀分別通過四根光纖以時間間隔Al對一號光纖光柵溫度傳感器(SI)的波長、二號光纖光柵溫度傳感器(S2)的波長、三號光纖光柵溫度傳感器(S3)的波長和四號光纖光柵溫度傳感器(S4)的波長進行NI次採集；A1為正數，NI為大於2的整數； 採用熱電偶溫度測量裝置以時間間隔A2分別對一號熱電偶(Dl)、二號熱電偶(D2)、三號熱電偶(D3)和四號熱電偶(D4)進行N2次溫度採集；N2為大於或等於2的整數；A2為正數； 步驟三、通過公式: Δ 入=a Ti Δ T i= 1、2、3或4 ;獲得一號光纖光柵溫度傳感器(SI)、二號光纖光柵溫度傳感器(S2)、三號光纖光柵溫度傳感器(S3)或四號光纖光柵溫度傳感器(S4)的溫度靈敏度係數aTi ；式中:Λ λ為NI次採集第i個光纖光柵溫度傳感器波長的變化量；Λ T為N2次採集第i個熱電偶的溫度變化量； 步驟四、通過公式:· T = T0+ a , Ti ( λ _ λ 0) 獲得一號光纖光柵溫度傳感器(SI)、二號光纖光柵溫度傳感器(S2)、三號光纖光柵溫度傳感器(S3)或四號光纖光柵溫度傳感器(S4)的絕對溫度標定值； 式中=Ttl為初始的標定溫度；λ為第N次採集第i個光纖光柵溫度傳感器波長值；λ ^為初始標定光纖光柵溫度傳感器的波長值盧:=士； 完成測量實際路面溫度的光纖光柵傳感器的標定。
2.根據權利要求1所述的測量實際路面溫度的光纖光柵傳感器的標定方法，其特徵在於一號光纖光柵溫度傳感器(SI)、二號光纖光柵溫度傳感器(S2)、三號光纖光柵溫度傳感器(S3)和四號光纖光柵溫度傳感器(S4)位於一條豎直的直線上，且均距離中央分隔帶邊緣的0.8mο
3.根據權利要求1所述的測量實際路面溫度的光纖光柵傳感器的標定方法，其特徵在於一號熱電偶(Dl)、二號熱電偶(D2)、三號熱電偶(D3)和四號熱電偶(D4)距浙青層上表面的距離分別為5cm、12cm、22cm和34cm。
4.根據權利要求1所述的測量實際路面溫度的光纖光柵傳感器的標定方法，其特徵在於A的取值為I分鐘。
5.根據權利要求1所述的測量實際路面溫度的光纖光柵傳感器的標定方法，其特徵在於NI的取值為1440。
6.根據權利要求1所述的測量實際路面溫度的光纖光柵傳感器的標定方法，其特徵在於 N2的取值範圍為5至15之間。
全文摘要
測量實際路面溫度的光纖光柵傳感器的標定方法，涉及一種光纖光柵傳感器的標定方法。它是為了解決現有的採用室內試驗室標定光纖光柵溫度傳感器的方法的絕對溫度標定值和溫度靈敏度係數相對於路面現場需求的誤差大的問題。本發明採用高精度熱電偶，使用小型發電機、電爐、電錘、鋼捲尺、電偶測試儀、光纖光柵解調儀等工具設備，通過在路面現場鑽孔、熱電偶安裝、現場溫度實測以及絕對溫度計算等步驟，對已經埋設在瀝青路面內部的光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏度係數和絕對溫度值進行標定，最終得到瀝青路面內部的絕對溫度值。本發明適用於多種環境下的光纖光柵溫度傳感器的標定。
文檔編號G01K15/00GK103234663SQ20131018426
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月17日 優先權日2013年5月17日
發明者董澤蛟, 李生龍, 溫佳宇, 肖桂清 申請人:哈爾濱工業大學