CN104374330A - 传感器温度补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种传感器的温度补偿装置，包括测量杆件和参考杆件，包括工作传感器和对比传感器；其中，所述工作传感器设置在所述测量杆件上，所述对比传感器设置在所述参考杆件上；所述工作传感器用于测量测量杆件的结构应力应变、测量杆件的温度应力应变以及工作传感器的温度应力应变；所述对比传感器用于测量参考杆件的温度应力应变和对比传感器的温度应变；所述工作传感器和所述对比传感器采用相同的传感器；所述测量杆件和所述参考杆件采用相同的材料制成；所述测量杆件用于承受载荷；所述参考杆件相邻所述测量杆件且不承受载荷。本发明的结构简单，能够较为简单有效的实现对杆件的温度补偿。

Description

传感器温度补偿装置

技术领域

本发明涉及海洋工程技术，具体地，涉及一种传感器温度补偿装置。

背景技术

传感器广泛应用于各种工业生产实践中，大多数传感器的敏感元件采用金属或半导体材料，其静特性与环境温度有着密切的联系。实际工作中由于传感器的工作环境温度变化较大，又由于温度变化引起的热输出较大，将会带来较大的测量误差，所以必须采取措施以减少或消除温度变化带来的影响，即必须进行温度补偿。

为了消除或减少温度变化的影响，人们提出了许多温度补偿方案。通过查阅光纤应变片温度补偿方面的资料，现有的温度补偿的方法大致可分为两类。

一类为应变温度同时测量,通过运算排除温度应变的干扰，如矩阵运算法。矩阵运算法是在纤芯传感段重叠写入两个不同中心波长变化的光栅,利用它们的不同温度灵敏系数和应变灵敏系数,通过矩阵运算求得所受应力和温度变化。基于此理论的方法有许多种，如双波长叠加法、长周期光栅法、直径相同而纤芯材料不同的光纤光栅熔接法等，均可实现应变与温度的同时测量。这类方法的不足之处在于：要求两只光纤光栅的中心波长的差别要足够大,往往需要两套宽带光源和波长解调***，在实际应用中局限性很大。

另一类是采取温度补偿措施，如利用负热膨胀系数材料进行封装。利用负热膨胀系数材料封装光纤光栅，由于温度变化引起光栅伸缩，而封装材料是反向感受温度的变化，可以抵消光栅的热胀冷缩效应，保持光栅不变形，达到温度补偿的目的。这类方法的不足之处在于：对封装材料感受温度变化的反向变形系数要求很高，不仅要达到要求的范围而且随着环境条件变化该系数还必须稳定在一定范围，这无疑对材料提出了过高要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种传感器温度补偿装置。

根据本发明提供的传感器温度补偿装置，包括测量杆件和参考杆件，还包括工作传感器和对比传感器；

其中，所述工作传感器设置在所述测量杆件上，所述对比传感器设置在所述参考杆件上；

所述工作传感器用于测量测量杆件的结构应力应变、测量杆件的温度应力应变以及工作传感器的温度应力应变；所述对比传感器用于测量参考杆件的温度应力应变和对比传感器的温度应变；

所述工作传感器和所述对比传感器采用相同的传感器；所述测量杆件和所述参考杆件采用相同的材料制成；所述测量杆件用于承受载荷；所述参考杆件相邻所述测量杆件且不承受载荷。

优选地，所述工作传感器和所述对比传感器的接口位置采用激光焊接，接口位置的焊接点采用牺牲阳极保护法。

优选地，所述工作传感器和所述对比传感器的工作段采用波纹管密封焊接。

优选地，还包括第一底座和第二底座；

所述工作传感器通过所述第一底座焊接在所述测量杆件上；所述对比传感器通过所述第二底座焊接在所述参考杆件上。

优选地，所述工作传感器和所述对比传感器均采用光纤应变传感器。

优选地，还包括第一螺钉和第二螺钉；所述第一螺钉用于向所述工作传感器施加预应力，所述第二螺钉用于向所述对比传感器施加预应力。

优选地，还包括出纤用金属管，所述出纤用金属管沿所述测量杆件的长度方向设置，所述工作传感器的光纤和所述对比传感器的光纤通过所述出纤用金属管引出水面。

优选地，所述第一底座和所述第二底座采用弹性结构。

优选地，还包括特氟龙套管，所述特氟龙套管设置在所述出纤用金属管的外侧。

优选地，还包括走线固定卡，所述工作传感器和所述对比传感器的光纤通过所述走线固定卡固定在所述测量杆件上。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明克服了采用负热膨胀系数材料封装光栅的缺点，不需要严格控制材料的负热膨胀系数，大大减小了材料选取的难度；

2、本发明的结构简单，能够较为简单有效的实现测量杆件的温度补偿；

3、本发明设置有走线固定卡，光纤走线方便，能够轻松地固定在杆件上；

4、本发明大大简化了矩阵运算法，可以看出本发明是对第一类温度补偿的一个较大改进，用对比光纤传感器有效的剔除温度影响，而且不需要采用两套宽带光源和波长解调***。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中传感器的安装示意图；

图2为本发明中传感器的布局示意图；

图3为本发明中传感器的固定示意图。

图中：

1为支柱；

2为斜撑杆件；

3为平台甲板；

4为停机坪；

5为安装位置；

6为对比传感器；

7为工作传感器；

8为平台焊接边腿；

9为出纤用金属管；

10为波纹管；

11为螺钉。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

对于海洋工程技术领域，多采用对潮湿和有水的环境不敏感的石英光纤应变传感器。对于光纤传感器其传感基本原理是通过对Bragg中心反射波长λ_B漂移的测量实现对应变、温度变化的测量，分析可以知道Bragg波长漂移与应变、温度关系为：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-p_e)\mathrm{\Δ\ϵ}+(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}$

式中，λ_B为Bragg波长；Δλ为Bragg波长变化量；n_eff为纤芯有效折射率；

为光纤的有效弹光系数；P₁₁和P₁₂为弹光系数，v为光纤纤芯材料的泊松比；Δε为应变片所受的轴向应变；ΔT为温度的变化量；α和ξ分别为光纤的热膨胀系数和热光系数；

上式也可写为：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_B}=K_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\Δ\ϵ}+K_T\mathrm{\ΔT}$

式中，Κ_ε为光纤光栅的应变灵敏度系数，Κ_T为温度灵敏度系数。由于光纤光栅无法区别应变与温度分别引起的波长变化，因此在测量中会带来应变和温度的交叉敏感问题。另外,经查资料可知：常用石英光纤p_e＝0.22，α＝0.55×10^-6/℃，ξ＝6.8×10^-6/℃，且温度和应变对Κ_ε和Κ_T的影响很小，可以忽略。则光纤光栅分别在温度变化1℃和轴向应变1με作用下两者的比值为

$\frac{\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_B}}{\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_B}}=\frac{K_T\mathrm{\ΔT}}{K_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\Δ\ϵ}}=\frac{(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}}{(1-P_e)\mathrm{\Δ\ϵ}}=\frac{(6.8+0.55)\×{10}^{-6}}{(1-0.22)\×{10}^{-6}}=9.423$

这说明每单位值温度对Bragg中心波长漂移的影响是微应变的9.42倍，因此,在用光纤光栅作应变传感测量时，必须考虑如何去除温度的影响。

针对上述问题本发明的基本原理是采用两个光纤传感器，其中一个为工作传感器，另一个为对比传感器，通过两个传感器测量数据的对比计算即可得到所需要的材料的应变值。更重要的是此种方法也能够较为简单的实现对钢材料的温度补偿。

由上式：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_B}=K_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\Δ\ϵ}+K_T\mathrm{\ΔT}$

可以直观的发现，若想测得温度变化对波长变化的影响，只要使得光纤的应变Δε＝0，则式子变为：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_B}=K_T\mathrm{\ΔT}---\left(1\right)$

因此只要让对比传感器的应变为零，则此传感器所测得的波长变化全部是由温度变化造成的，即有：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_B}=K_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\Δ\ϵ}+K_T\mathrm{\ΔT}$

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_B}=K_T\mathrm{\ΔT}$

其中：Δλ₁和Δλ₂分别为工作传感器和对比传感器测得的波长变化。将两式相减即可得到：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1-{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_B{K}_{\mathrm{\ϵ}}}=\mathrm{\Δ\ϵ}---\left(2\right)$

此式即可得到所要知道的材料的应变。

再将此方法做进一步深化，将对比传感器粘贴在一段自由的钢材料上，则对比传感器所测得的波长的变化是由钢材料和光纤的温度变化共同造成的，假设钢材料的应力应变和温度应变分别为Δε和Δε₁，则有：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_B}=K_{\mathrm{\ϵ}}(\mathrm{\Δ\ϵ}+{\mathrm{\Δ\ϵ}}_1)+K_T\mathrm{\ΔT}$

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_B}=K_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\Δ\ϵ}}_1+K_T\mathrm{\ΔT}$

其中：Δλ₁和Δλ₂分别为工作传感器和对比传感器测得的波长变化。将两式相减即可得到：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1-{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_B{K}_{\mathrm{\ϵ}}}=\mathrm{\Δ\ϵ}---\left(3\right)$

对比式(2)和式(3)可以发现，两式完全相同，因此采用此种方法可以将两种温度应变完全补偿。

在本实施例中，本发明提供的传感器温度补偿装置包括测量杆件和参考杆件，测量杆件和参考杆件采用钢材料制成，还包括工作传感器6和对比传感器7；

其中，所述工作传感器7设置在所述测量杆件上，即图1中的斜撑杆件2，所述对比传感器6设置在所述参考杆件上；

所述工作传感器7用于测量测量杆件的结构应力应变、测量杆件的温度应力应变以及工作传感器的温度应力应变；所述对比传感器6用于测量参考杆件的温度应力应变和对比传感器的温度应变；所述工作传感器7和所述对比传感器6采用相同的传感器；所述测量杆件和所述参考杆件采用相同的材料制成；所述测量杆件用于承受载荷；所述参考杆件相邻所述测量杆件且不承受载荷。即通过两个传感器测量数据的对比计算得到应变值。其中，工作传感器所测得的波长的变化是由钢材料微应变、钢材料温度变化、光纤的温度变化共同造成的，对比传感器所测得的波长的变化是由钢材料温度变化、光纤的温度变化造成的。

为保证传感器本体密封，所述工作传感器7和所述对比传感器6的接口位置采用激光焊接，接口位置的焊接点采用牺牲阳极保护法。为不增加传感器本体刚度，所述工作传感器7和所述对比传感器6的工作段采用波纹管10密封焊接。

本发明提供的传感器温度补偿装置还包括第一底座和第二底座；所述工作传感器通过所述第一底座水下焊接在所述测量杆件上；所述对比传感器通过所述第二底座水下焊接在所述参考杆件上。所述工作传感器和所述对比传感器均采用光纤应变传感器。所述第一底座和所述第二底座采用弹性结构。除平台焊接边腿9位置外全部加做防腐处理，在表面喷涂特氟龙。

本发明提供的传感器温度补偿装置还包括第一螺钉和第二螺钉；所述第一螺钉用于向所述工作传感器施加预应力，所述第二螺钉用于向所述对比传感器施加预应力。

本发明提供的传感器温度补偿装置还包括出纤用金属管9，所述出纤用金属管9沿所述测量杆件的长度方向设置，所述工作传感器的光纤和所述对比传感器的光纤通过所述出纤用金属管9引出水面。为了保证监测的可靠性和安全性，光纤沿测量杆件走线，传感器相互独立水下不进行串接，待所有传感器两端尾缆全部引至水面以上后进行组网连接。

本发明提供的传感器温度补偿装置还包括特氟龙套管，所述特氟龙套管设置在所述出纤用金属管9的外侧。本发明提供的传感器温度补偿装置还包括走线固定卡，所述工作传感器和所述对比传感器的光纤通过所述走线固定卡固定在所述测量杆件上。

由于传感器安装后测不到杆件所受绝对应力，只能检测到应力的变化量，因此确定初始应力值非常重要。实际工程中通过选择在一风平浪静的小载况的情况下，通过数值计算确定各检测点的应力大小，并对实测值进行标定。之所以选定无浪小载况，原因在于无浪环境应力不呈波动变化，且应力较小，标定误差也较小。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种传感器温度补偿装置，包括测量杆件和参考杆件，其特征在于，还包括工作传感器和对比传感器；

其中，所述工作传感器设置在所述测量杆件上，所述对比传感器设置在所述参考杆件上；

所述工作传感器用于测量测量杆件的结构应力应变、测量杆件的温度应力应变以及工作传感器的温度应力应变；所述对比传感器用于测量参考杆件的温度应力应变和对比传感器的温度应变；

所述工作传感器和所述对比传感器采用相同的传感器；所述测量杆件和所述参考杆件采用相同的材料制成；所述测量杆件用于承受载荷；所述参考杆件相邻所述测量杆件且不承受载荷。

2.根据权利要求1所述的传感器温度补偿装置，其特征在于，所述工作传感器和所述对比传感器的接口位置采用激光焊接，接口位置的焊接点采用牺牲阳极保护法。

3.根据权利要求1所述的传感器温度补偿装置，其特征在于，所述工作传感器和所述对比传感器的工作段采用波纹管密封焊接。

4.根据权利要求1所述的传感器温度补偿装置，其特征在于，还包括第一底座和第二底座；

所述工作传感器通过所述第一底座焊接在所述测量杆件上；所述对比传感器通过所述第二底座焊接在所述参考杆件上。

5.根据权利要求1所述的传感器温度补偿装置，其特征在于，所述工作传感器和所述对比传感器均采用光纤应变传感器。

6.根据权利要求1所述的传感器温度补偿装置，其特征在于，还包括第一螺钉和第二螺钉；所述第一螺钉用于向所述工作传感器施加预应力，所述第二螺钉用于向所述对比传感器施加预应力。

7.根据权利要求1所述的传感器温度补偿装置，其特征在于，还包括出纤用金属管，所述出纤用金属管沿所述测量杆件的长度方向设置，所述工作传感器的光纤和所述对比传感器的光纤通过所述出纤用金属管引出水面。

8.根据权利要求4所述的传感器温度补偿装置，其特征在于，所述第一底座和所述第二底座采用弹性结构。

9.根据权利要求7所述的传感器温度补偿装置，其特征在于，还包括特氟龙套管，所述特氟龙套管设置在所述出纤用金属管的外侧。

10.根据权利要求1或7所述的传感器温度补偿装置，其特征在于，还包括走线固定卡，所述工作传感器和所述对比传感器的光纤通过所述走线固定卡固定在所述测量杆件上。