CN109781017B - 一种光纤式结冰传感器的快速标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤式结冰传感器的快速标定方法，包括：在结冰环境中，测得标准光纤式结冰传感器在不同冰层厚度环境下对应的光电响应值X，拟合得到冰层厚度值Y与光电响应值X的函数关系式Y＝f(X)；在非结冰环境中测得标准光纤式结冰传感器的光电响应值X对应的距离H，得到光电响应值X列表对应的距离H列表；测得距离H_R等于距离H时待测光纤式结冰传感器的光电响应值X_R，得到距离H_R列表对应的光电响应值X_R列表；拟合得到标准光纤式结冰传感器的光电响应值X与待测光纤式结冰传感器的光电响应值X_R的函数关系式X＝f(X_R)。本快速标定方法解决了直接标定方法导致的标定误差问题，且减少了标定工作量，提高了标定效率。

Description

一种光纤式结冰传感器的快速标定方法

技术领域

本发明属于传感器标定技术领域，具体涉及一种光纤式结冰传感器的快速标定方法。

背景技术

结冰传感器是一种可及时直接或间接的探知物体表面结冰信息，将信息传递到控制器或者直接报警的传感器，为监测结冰、及时采取相应措施降低结冰造成的损失提供依据，减小结冰危害。目前，结冰传感器种类众多，其中光纤式结冰传感器因结构简单、灵敏度和精度高、固有的安全性好、抗电磁干扰强、高绝缘强度、耐腐蚀等优点，越来越受到广泛的重视和应用。

光纤式结冰传感器的标定是其应用不可缺少的工作。在实际应用中，我们希望通过光纤式结冰传感器检测的光电响应值，得到传感器检测面的结冰厚度。而在光纤式结冰传感器在未经过标定时，得到的是一系列无意义的光电响应值，无法与探测面结冰厚度建立联系，标定的作用就是通过测量得到若干冰厚以及对应光电响应值，将若干冰厚以及对应光电响应值进行数据分析处理，得到冰厚与光电响应值的关系。在实际应用时，检测到光电响应值，通过标定得到的冰厚与光电响应值的关系，可反推得知探测面的结冰厚度。在光纤式结冰传感器在实际生产加工中，由于加工精度、光纤丝断裂和分布不均匀等限制，每个光纤式结冰传感器的光反应特性会有所差异，无法保证其一致性，所以对每个传感器都应该进行标定。

现有的光纤式结冰传感器标定方法通常采用直接标定方法，直接标定方法是将光纤式结冰传感器置于模拟的结冰环境中，模拟结冰环境时需在传感器表面通过多次喷射或者冷冻方式产生不同厚度的冰层，每喷射或冷冻一次，都需测量冰层实际厚度并记录对应的光电响应值，以此得到不同冰层厚度对应的光电响应值，通过冰层厚度与传感器的光电响应值建立函数关系式以实现标定。采用上述直接标定方法来标定光纤式结冰传感器，操作复杂，耗时很长，标定一个传感器甚至有可能需要数天时间，一方面，模拟结冰环境对试验设备要求很高，如结冰风洞等试验设备费用非常昂贵；另一方面，标定时由于每次喷射或者冷冻形成的冰层晶状体差异，会导致传感器的光学响应有一定差异，从而引入标定误差。在传感器批量生产时，如采用上述方法来标定传感器，成本高，效率低，可操作性差。

发明内容

本发明提供一种光纤式结冰传感器的快速标定方法，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种光纤式结冰传感器的快速标定方法，包括以下步骤：

步骤一，采用直接标定方法标定标准光纤式结冰传感器，在结冰环境中，测得标准光纤式结冰传感器在不同冰层厚度环境下对应的光电响应值X，拟合得到冰层厚度值Y与光电响应值X的函数关系式Y＝f(X)；

步骤二，将步骤一测得的标准光纤式结冰传感器的最大光电响应值Xmax作为区间最大值，在[0，Xmax]区间内取若干光电响应值，得到光电响应值X列表；

步骤三，将步骤一所述的标准光纤式结冰传感器置于非结冰环境中的标定装置上，设标准光纤式结冰传感器探测面与标定装置的标定工件的距离为H，将步骤二得到的光电响应值X列表作为参照值，调节距离H，测得标准光纤式结冰传感器的光电响应值X对应的距离H，得到光电响应值X列表对应的距离H列表；

步骤四，将待测光纤式结冰传感器置于非结冰环境中的标定装置上，设待测光纤式结冰传感器探测面与标定装置的标定工件的距离为H_R，将步骤三得到的距离H列表作为参照值，调节待测光纤式结冰传感器探测面与标定工件的距离H_R，使距离H_R等于距离H，测得距离H_R等于距离H时待测光纤式结冰传感器的光电响应值X_R，得到距离H_R列表对应的光电响应值X_R列表；

步骤五，根据步骤二得到的标准光纤式结冰传感器的光电响应值X列表以及步骤四得到的待测光纤式结冰传感器的光电响应值X_R列表，拟合得到标准光纤式结冰传感器的光电响应值X与待测光纤式结冰传感器的光电响应值X_R的函数关系式X＝f(X_R)。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

采用本发明所述的快速标定方法，无需将每个光纤式结冰传感器都进行直接标定方法标定，只需将选定的标准光纤式结冰传感器进行直接标定方法标定，再将标准光纤式结冰传感器的光电响应值所对应的冰层厚度值转换为光纤式结冰传感器探测面与标定工件的距离值。然后再将标准光纤式结冰传感器探测面与标定工件的距离值转换为待测光纤式结冰传感器探测面与标定工件的距离值，测得待测光纤式结冰传感器的光电响应值，拟合得到标准光纤式结冰传感器的光电响应值与待测光纤式结冰传感器的光电响应值的函数关系式。

本发明的快速标定方法，解决了直接标定方法因每次喷射或者冷冻形成的冰层晶状体差异导致的标定误差问题，提高了光纤式结冰传感器的一致性。本快速标定方法操作便捷，减少了标定工作量，大大提高了标定效率。该快速标定方法适合在室温下进行，无需用昂贵的降温设备来保证低温环境，大幅度降低了标定成本。

附图说明

图1是本发明的光纤式结冰传感器的快速标定方法的流程图；

图2是本发明的光纤式结冰传感器的快速标定方法的标定装置的结构示意图。

具体实施方式

光纤式结冰传感器的工作原理为：其包括发射光纤束、接收光纤束、发射光纤束和接收光纤束的端部集合而成的集束光纤束，集束光纤束的端面构成光纤式结冰传感器的探测端面。发射光纤束连接有光发射电路，光发射电路可向发射光纤束发射特定光谱的光，光经过发射光纤束在探测端面经过不同介质时发生反射、衍射或折射。接收光纤束连接有信号检测电路，接收光纤束能够接收经过不同介质的反射、衍射或折射后返回的光，信号检测电路将接收光纤束接收的光转换为电信号(即光电响应值)，根据电信号的强弱来判断结冰传感器探测端面的结冰情况。

光纤式结冰传感器使用前需要进行标定，直接标定方法是将光纤式结冰传感器置于模拟的结冰环境中，模拟结冰环境时需在传感器表面通过多次喷射或者冷冻方式产生不同厚度的冰层，每喷射或冷冻一次，都需测量冰层厚度值Y并记录对应的光电响应值X，以此得到不同冰层厚度值Y对应的光电响应值X，通过专业数据处理软件(如OriginPro)建立冰层厚度值Y与光电响应值X的函数关系式Y＝f(X)。在实际应用中，根据光纤式结冰传感器的信号检测电路探测到的光电响应值代入到上述函数关系式即可得到冰层厚度值，通常这一运算过程是通过与光纤式结冰传感器连接的微控制单元来完成。

以下结合图1对本发明实施例提供的光纤式结冰传感器的快速标定方法进行详细说明。

本发明提供的光纤式结冰传感器的快速标定方法，包括以下步骤：

步骤一，采用直接标定方法标定标准光纤式结冰传感器，在结冰环境中，测得标准光纤式结冰传感器在不同冰层厚度环境下对应的光电响应值X，拟合得到冰层厚度值Y与光电响应值X的函数关系式Y＝f(X)。

步骤二，将步骤一测得的标准光纤式结冰传感器的最大光电响应值Xmax作为区间最大值，在[0，Xmax]区间内取若干光电响应值，得到光电响应值X列表。例如，光电响应值的区间为[0，4095]，取若干区间值，得到光电响应值X列表[95,122,222,310,458,745,1356,2326,3232,4055]。

步骤三，将步骤一所述的标准光纤式结冰传感器置于非结冰环境中的标定装置上，设标准光纤式结冰传感器探测面与标定装置的标定工件的距离为H，将步骤二得到的光电响应值X列表作为参照值，调节距离H，测得标准光纤式结冰传感器的光电响应值X对应的距离H，得到光电响应值X列表对应的距离H列表。例如，调整标准光纤式结冰传感器探测面与标定装置的标定工件的距离，当标准光纤式结冰传感器的光电响应值为95时，测得距离为1；然后再调整距离，当光电响应值为122时，测得距离为6；然后再调整距离，当光电响应值为222时，测得距离为16。采用相同方法测得其它光电响应值对应的距离值，得到距离H列表[1,6,16,21,26,31,36,41,46,51]。

步骤四，将待测光纤式结冰传感器置于非结冰环境中的标定装置上，设待测光纤式结冰传感器探测面与标定装置的标定工件的距离为H_R，将步骤三得到的距离H列表作为参照值，调节待测光纤式结冰传感器探测面与标定工件的距离H_R，使距离H_R等于距离H，测得距离H_R等于距离H时待测光纤式结冰传感器的光电响应值X_R，得到距离H_R列表对应的光电响应值X_R列表。例如，调节待测光纤式结冰传感器与标定工件的距离为1，测得此时待测光纤式结冰传感器的光电响应值为103；然后再调整距离为6，测得此时的光电响应值为128；然后再调整距离为16，测得此时的光电响应值为230。采用相同方法测得其它距离值对应的光电响应值，得到光电响应值X_R列表[103,128,230,325,479,768,1387,2361,3259,4088]。

步骤五，根据步骤二得到的距离H列表与步骤四中的距离H_R列表相同，理想情况下可认为标准光纤式结冰传感与待测标准光纤式结冰传感在相同的外部激励下，电响应特性一致。实际检测到的标准光纤式结冰传感器的光电响应值X列表与待测光纤式结冰传感器的光电响应值X_R列表不完全相同，因此将待测光纤式结冰传感器的光电响应特性矫正到与标准光纤式结冰传感器的电响应特性一致，即建立两者电响应值的函数关系式。根据步骤二得到的标准光纤式结冰传感器的光电响应值X列表以及步骤四得到的待测光纤式结冰传感器的光电响应值X_R列表，拟合得到标准光纤式结冰传感器的光电响应值X与待测光纤式结冰传感器的光电响应值X_R的函数关系式X＝f(X_R)。例如，根据光电响应值X列表[95,122,222,310,458,745,1356,2326,3232,4055]、光电响应值X_R列表[103,128,230,325,479,768,1387,2361,3259,4088]，通过数据处理软件拟合得到X＝-6.96542+0.97918*X_R+3.79533*10^-6*X_R ²。

上述步骤中，光纤式结冰传感器的光电响应值都是在发射光量固定不变的情况下测得。

光纤式结冰传感器经过标定后，在使用时可测得光电响应值X_R’，将X_R’代入上述函数关系式X＝f(X_R)可计算出等效于标准光纤式结冰传感器的光电响应值X’，将X’代入上述函数关系式Y＝f(X)可计算出光纤式结冰传感器探测端面的冰层厚度Y’。

如图2所示，上述步骤三和步骤四所述的标定装置，包括支架1、固定座5、安装于支架1上的高度调节组件2以及标定工件4，所述标定工件4通过固定架3与高度调节组件2连接，所述高度调节组件2包括齿轮组，所述固定架3设置有与所述齿轮组啮合的齿轮轨道，所述高度调节组件2的一侧设有调节旋钮6，所述调节旋钮6与所述齿轮组连接。所述固定座5设置于所述标定工件4的下方，固定座5的一侧设有用于放置所述光纤式结冰传感器7的U型槽。顺时针或逆时针旋动调节旋钮6能够使标定工件4相对高度调节组件2上下移动，从而调节光纤式结冰传感器7与标定工件4的距离。所述高度调节组件2上设有刻度线，刻度线上标有刻度值。标定工件4与光纤式结冰传感器7的距离值可通过读取相对应的刻度值来获取，标定工件4对应高度调节组件2的刻度值减去光纤式结冰传感器7探测面对应高度调节组件2的刻度值，即为标定工件4与光纤式结冰传感器7的距离值H。

所述标定工件4由表面光滑的透明材料组成，例如透明玻璃板。光纤式结冰传感器7发射光纤束发射的光，在标定工件4中发生反射、散射、折射等，返回接收光纤束，通过信号检测电路转换为电信号，并通过接收电信号的设备显示为对应的光电响应值。通过上述标定装置能够测得标准光纤式结冰传感器探测面与标定工件的距离H，以及待测光纤式结冰传感器探测面与标定工件的距离H_R。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种光纤式结冰传感器的快速标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，采用直接标定方法标定标准光纤式结冰传感器，在结冰环境中，测得标准光纤式结冰传感器在不同冰层厚度环境下对应的光电响应值X，拟合得到冰层厚度值Y与光电响应值X的函数关系式Y＝f(X)；

步骤二，将步骤一测得的标准光纤式结冰传感器的最大光电响应值Xmax作为区间最大值，在[0，Xmax]区间内取若干光电响应值，得到光电响应值X列表；

步骤三，将步骤一所述的标准光纤式结冰传感器置于非结冰环境中的标定装置上，设标准光纤式结冰传感器探测面与标定装置的标定工件的距离为H，将步骤二得到的光电响应值X列表作为参照值，调节距离H，测得标准光纤式结冰传感器的光电响应值X对应的距离H，得到光电响应值X列表对应的距离H列表；

步骤四，将待测光纤式结冰传感器置于非结冰环境中的标定装置上，设待测光纤式结冰传感器探测面与标定装置的标定工件的距离为H_R，将步骤三得到的距离H列表作为参照值，调节待测光纤式结冰传感器探测面与标定工件的距离H_R，使距离H_R等于距离H，测得距离H_R等于距离H时待测光纤式结冰传感器的光电响应值X_R，得到距离H_R列表对应的光电响应值X_R列表；

步骤五，根据步骤二得到的标准光纤式结冰传感器的光电响应值X列表以及步骤四得到的待测光纤式结冰传感器的光电响应值X_R列表，拟合得到标准光纤式结冰传感器的光电响应值X与待测光纤式结冰传感器的光电响应值X_R的函数关系式X＝f(X_R)；

所述标定工件由透明材料制成。

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