光纤光栅物理值动态监测系统及其计算方法与流程

本发明属于光纤传感，具体涉及光纤光栅物理值动态监测系统及其计算方法。

背景技术：

1、随着光纤光栅传感器在各个领域的广泛应用，对光纤光栅传感器物理量的测量精度和稳定性要求越来越高。目前的光纤光栅物理值动态监测系统通常采用中频光纤光栅解调模块进行波长数据的采集和处理，但是在通信光纤长度超过2km时，光纤光栅中心波长会产生偏差，导致无法准确计算出光纤光栅传感器的物理绝对值。

2、现有的技术中，对于光纤光栅传感器的波长偏差问题，一般采用硬件校准或者软件补偿的方法进行解决。但是这些方法存在一些问题：硬件校准需要额外的设备和技术支持，成本较高；而软件补偿方法往往需要预先获取大量的校准数据，计算过程复杂，且对于不同的光纤光栅传感器，补偿效果可能存在较大差异。此外，在工控模块和光纤解调模块之间的集成中，也存在集成复杂，系统繁杂的问题。因此，为了解决上述问题，需要一种集成度高光纤光栅物理值动态监测系统，能够有效保持长距离测试时光纤光栅中心波长精度，并准确计算光纤光栅传感器物理绝对值的方法。

3、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供本发明提供了一种集成简单的光纤光栅物理值动态监测系统及其计算方法，可以在1～100hz任意解调频率下保持光纤光栅中心波长精度，并计算出准确的光纤光栅传感器物理值。

2、为了实现上述目的，本发明一具体实施例提供的了光纤光栅物理值动态监测系统，所述监测系统包括：光纤解调模块、工控模块、显示模块和光纤光栅传感器；所述光纤解调模块与光纤光栅传感器连接，所述光纤解调模块用于向光纤光栅传感器传递光波并接收光纤光栅传感器反射的光波，所述光纤解调模块将光纤光栅传感器反射的光波转换为光纤光栅中心波长数据，所述工控模块与光纤解调模块连接，所述工控模块用于接收光纤光栅中心波长数据并对其进行计算得到光纤光栅物理值；所述显示模块与工控模块连接，所述显示模块用于接收和显示光纤光栅物理值。

3、在本发明的一个或多个实施例中，所述光纤解调模块包括控制单元、tls激光器、plc分路器、光纤探测器和模数转换器；所述控制单元与tls激光器相连，所述控制单元用于启动和控制tls激光器发射光波，所述tls激光器与plc分路器相连，所述tls激光器用于对tls激光器发射的光波进行隔离，所述plc分路器与光纤光栅传感器相连，所述plc分路器用于将隔离后的光波分别传递给光纤光栅传感器对应的光栅单元，所述光栅单元包括光纤光栅应变计、光纤光栅加速度计、光纤光栅温度计和光纤光栅位移计；所述光纤光栅传感器将反射后的光波传递给plc分路器，所述plc分路器与光纤探测器相连，所述plc分路器用于将光波转换为模拟信号，所述光纤探测器与模数转换器相连，所述数模转换器用于将模拟信号转换为数字信号，所述模数转换器与控制单元相连，所述控制单元用于将数字信号转换为光纤光栅中心波长数据。

4、在本发明的一个或多个实施例中，所述工控模块包括主mcu和从mcu，所述主mcu通过第一网口与光纤调解模块相连，所述主mcu用于接收解调后的光纤光栅中心波长数据并计算出所有光栅单元的光纤光栅物理值；所述主mcu通过端口连接从mcu，用于向所述从mcu传递计算光纤光栅加速度计主频值的数据，所述从mcu基于光纤光栅中心波长数据通过快速傅里叶变换计算出光纤光栅加速度计主频值并回传给主mcu，所述主mcu基于光纤光栅加速度计主频值计算出光纤光栅加速度计振幅，所述主mcu将所有数据进行存储、打包并将其传输至所述显示模块。

5、本发明的另一方面提供一种光纤光栅物理值计算方法，基于光纤光栅物理值动态监测系统，所述光纤光栅物理值计算方法包括：

6、获取所述光纤光栅中心波长数据中的解调频率并判断对应光纤光栅中心波长数据是否需要校准；

7、若所述光纤光栅中心波长数据不需要校准，则直接进行光纤物理值的计算；若所述光纤光栅中心波长数据需要校准，则先对其解调频率进行校准，再校准对应光纤光栅中心波长数据；

8、基于校准后的光纤光栅中心波长数据进行光纤光栅物理值的计算。

9、在本发明的一个或多个实施例中，若所述解调频率小于1hz，则直接进行光纤物理值的计算；若所述解调频率大于或等于1hz且小于100hz则先对解调频率进行校准，计算出光纤光栅中心波长数据偏差值，再进行光纤光栅中心波长数据的校准。

10、在本发明的一个或多个实施例中，所述光纤光栅中心波长数据偏差值计算步骤包括：

11、将所述解调频率修改为1hz，连续采集1hz下所述光纤光栅传感器对应通道的中心波长至少5次；

12、将采集到的中心波长按照通道存入1hz每个栅点的中心波长组数，将所述解调频率作为控制单元的非易失寄存器的设置频率；

13、判断所述解调频率是否为设置频率，是则连续采集所述光纤光栅中心波长数据至少300次，按照对应通道存入每个栅点的中心波长缓存数组；若不是则将其所述解调频率修改为设置频率重新进行采集；

14、基于所述中心波长组数与所述中心波长缓存数组在对应标准下差，存入中心波长偏差值数组；

15、若所述光纤光栅中心波长数据需要校准，则基于中心波长偏差值数组对其进行校准。

16、在本发明的一个或多个实施例中，所述光纤光栅物理值的计算过程包括：

17、根据光纤光栅传中心波长数据的上下限，获取光纤光栅传感器的实际测量波长，若获取不到实际测量波长，则进入光纤光栅中心波长异常判断程序；

18、根据实际测量波长计算光纤光栅物理值，并将光纤光栅物理值数据打包、传输给上位机程序。

19、在本发明的一个或多个实施例中，所述光纤光栅物理值的计算公式为：

20、p＝p0+k[(λm-λ0m)-α(λt-λ0t)]；

21、其中，p光纤光栅物理值，p0为初始物理值，k为转换系数，用于将波长变化转换为物理量变化，λm为测量波长，λ0m为初始波长，α为温度补偿系数，λt为温补波长，λ0t为温补波长初值。

22、在本发明的一个或多个实施例中，所述测量波长λm和/或温补波长λt的获取步骤包括：

23、基于光纤光栅中心波长数据中的测量波长初值λ0m和温补波长初值λ0t，结合光纤光栅传感器初值表计算出对应光纤光栅中心波长数据的阈值上下限；

24、若任一次测量出的波长在所述阈值上下限的范围内，则确定该波长为对应波长的实际测量值；若不在所述阈值上下限的范围内则重新测量。

25、在本发明的一个或多个实施例中，所述光纤光栅中心波长数据的阈值上下限的计算包括：当光纤光栅传感器的测量波长λm或温补波长λt初值为λn时，则所述对应波长在设备初值表中前后波长分别为λn-1，λn+1；所述波长初值λn的上下限阈值计算公式为：

26、上限波长阈值：λup＝(λn+λn+1)/2-0.001；

27、下限波长阈值：λlo＝(λn+λn-1)/2-0.001。

28、在本发明的一个或多个实施例中，所述光纤光栅中心波长异常判断程序包括按通道判断光纤光栅中心波长数据是否发生缺失，若光纤光栅中心波长数据存在缺失则重新进入光纤光栅中心波长数据的校准，若光纤光栅中心波长数量不存在缺失则将无法计算的光纤光栅物理量赋值为null并打包、传输给上位机程序。

29、与现有技术相比，本发明的通过设置光纤解调模块和工控模块简化中频光纤光物理值监测系统集成；同时本发明提供了对光纤光栅传感器物理值校准的方法，有效保持长距离测试时中频光纤光栅动态解调仪在1～100hz任意解调频率下的光纤光栅中心波长精度，并能够准确的计算出光纤光栅物理值。