[發明專利]光纖傳感器的溫度效應誤差補償系統與設計方法

有效

• 申請號: 201911310071.0
• 申請日: 2019-12-18
• 公開（公告）號: CN110967045B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 胡建兵;馮野峰;易鵬
• 申請（專利權）人: 長江師范學院
• 主分類號: G01D3/036
• 分類號: G01D3/036;G01C19/66
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 周玉玲

本發明公開了一種光纖傳感器的溫度效應誤差補償系統與設計方法，包括用于實時探測光纖傳感器度的溫度探測單元；同步誤差等效電路接收溫度探測單元的溫度信號，并根據溫度信號同步模擬出光纖傳感器的溫度效應誤差；還包括用于根據光纖傳感器的輸出信號與同步誤差等效電路輸出的溫度效應誤差信號的信號差進行輸出的誤差補償輸出模塊；同步誤差等效電路為模擬電路，誤差補償輸出模塊輸出的信號差為模擬信號。設計方法基于溫度誤差整數階模型的等效溫度誤差分數階模型進行設計。本發明克服了依賴軟件進行誤差補償的局限性，實現了硬件補償，免去大量計算，計算機開銷更低，速度更快，誤差補償更有效，測量結果更準確。

技術領域

本發明屬于涉及光纖傳感器領域，尤其涉及溫度誤差效應誤差補償技術領域。

背景技術

光纖傳感器由于其具有無機械轉動部件、啟動快、成本低等優點，具有廣闊的應用前景，尤其在慣性導航在航空航天、機器人等領域具有舉足輕重的地位。但是，溫度效應是制約光纖傳感器發展與應用的重要因素。溫度效應是光纖傳感器的重要誤差源，主要是指溫度條件變化導致光纖傳感器輸出發生漂移的現象。由溫度效應引發的誤差也即是溫度效應誤差，在實際工作環境中，外部溫度環境始終在變化，光纖傳感器內部很難形成穩定不變的溫度場，溫度效應誤差始終存在。提高光纖傳感器精度通常通過改進工藝和誤差補償方法實現，而誤差補償方法成本低、成效顯著而倍受青睞。

溫度效應誤差成因復雜：環境溫度變化、電路板本身發熱等因素使光纖處于復雜的溫度場中，光纖材質、繞制工藝缺陷等因素導致基本不可能從溫度誤差機理建立溫度效應誤差補償模型。

通過測量數據建立誤差模型，找出誤差特性的規律，并通過軟件補償是傳感器領域常用方法。通常建立形如下式的一階、二階、三階甚至更高階微分方程：

當然，階數越低，參數辨識容易，但建模效果不理想，階數越高，參數辨識存在困難。這些因素都導致建模精度不高。溫度效應誤差往往表現出強非線性特征，非線性系統具有參數敏感性，細微參數差異，導致誤差累積，在工程應用中往往難以取得理想效果。

發明內容

針對上述現有技術的不足，本發明提供一種光纖傳感器的溫度效應誤差補償系統，解決現有技術中依賴非線性誤差補償模型來進行軟件補償的技術問題。

為解決上述技術問題，本發明的技術方案如下：一種光纖傳感器的溫度效應誤差補償系統，包括用于實時探測光纖傳感器度的溫度探測單元；同步誤差等效電路接收溫度探測單元的溫度信號，并根據溫度信號同步模擬出光纖傳感器的溫度效應誤差；還包括用于根據光纖傳感器的輸出信號與同步誤差等效電路輸出的溫度效應誤差信號的信號差進行輸出的誤差補償輸出模塊；同步誤差等效電路為模擬電路，作為同步誤差等效電路的輸入、輸出信號的溫度信號與溫度效應誤差信號均為模擬信號；誤差補償輸出模塊輸出的信號差為模擬信號。

優選的，同步誤差等效電路包括由若干RC單元電路串聯形成的頻率等效電路；頻率等效電路以溫度信號作為輸入信號；RC單元電路包括RC低通濾波電路、RC帶通濾波電路與RC高通濾波電路中的一種或多種；根據光纖傳感器的溫度誤差整數階模型的拉普拉斯算子的等價算子的各個子函數來相應確定各個RC單元電路的類型；等價算子等于各個子函數的乘積；等價算子根據溫度誤差整數階模型的等效溫度誤差分數階模型的微分階次確定。

進一步的，同步誤差等效電路還包括放大器，放大器用于根據等效溫度誤差分數階模型的系數對頻率等效電路的輸出信號進行放大。

進一步的，誤差補償輸出模塊按如下方式進行輸出：用光纖傳感器的輸出信號減去同步誤差等效電路輸出的溫度效應誤差信號得到信號差，信號差減去光纖傳感器的固定誤差后再進行輸出。

一種上述光纖傳感器的溫度效應誤差補償系統的建立方法，包括以下步驟：

步驟1：建立光纖傳感器的溫度誤差整數階模型的等效溫度誤差分數階模型：