[发明专利]光纤传感器的温度效应误差补偿系统与设计方法

说明书

本发明公开了一种光纤传感器的温度效应误差补偿系统与设计方法，包括用于实时探测光纤传感器度的温度探测单元；同步误差等效电路接收温度探测单元的温度信号，并根据温度信号同步模拟出光纤传感器的温度效应误差；还包括用于根据光纤传感器的输出信号与同步误差等效电路输出的温度效应误差信号的信号差进行输出的误差补偿输出模块；同步误差等效电路为模拟电路，误差补偿输出模块输出的信号差为模拟信号。设计方法基于温度误差整数阶模型的等效温度误差分数阶模型进行设计。本发明克服了依赖软件进行误差补偿的局限性，实现了硬件补偿，免去大量计算，计算机开销更低，速度更快，误差补偿更有效，测量结果更准确。

技术领域

本发明属于涉及光纤传感器领域，尤其涉及温度误差效应误差补偿技术领域。

背景技术

光纤传感器由于其具有无机械转动部件、启动快、成本低等优点，具有广阔的应用前景，尤其在惯性导航在航空航天、机器人等领域具有举足轻重的地位。但是，温度效应是制约光纤传感器发展与应用的重要因素。温度效应是光纤传感器的重要误差源，主要是指温度条件变化导致光纤传感器输出发生漂移的现象。由温度效应引发的误差也即是温度效应误差，在实际工作环境中，外部温度环境始终在变化，光纤传感器内部很难形成稳定不变的温度场，温度效应误差始终存在。提高光纤传感器精度通常通过改进工艺和误差补偿方法实现，而误差补偿方法成本低、成效显著而倍受青睐。

温度效应误差成因复杂：环境温度变化、电路板本身发热等因素使光纤处于复杂的温度场中，光纤材质、绕制工艺缺陷等因素导致基本不可能从温度误差机理建立温度效应误差补偿模型。

通过测量数据建立误差模型，找出误差特性的规律，并通过软件补偿是传感器领域常用方法。通常建立形如下式的一阶、二阶、三阶甚至更高阶微分方程：

当然，阶数越低，参数辨识容易，但建模效果不理想，阶数越高，参数辨识存在困难。这些因素都导致建模精度不高。温度效应误差往往表现出强非线性特征，非线性系统具有参数敏感性，细微参数差异，导致误差累积，在工程应用中往往难以取得理想效果。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种光纤传感器的温度效应误差补偿系统，解决现有技术中依赖非线性误差补偿模型来进行软件补偿的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种光纤传感器的温度效应误差补偿系统，包括用于实时探测光纤传感器度的温度探测单元；同步误差等效电路接收温度探测单元的温度信号，并根据温度信号同步模拟出光纤传感器的温度效应误差；还包括用于根据光纤传感器的输出信号与同步误差等效电路输出的温度效应误差信号的信号差进行输出的误差补偿输出模块；同步误差等效电路为模拟电路，作为同步误差等效电路的输入、输出信号的温度信号与温度效应误差信号均为模拟信号；误差补偿输出模块输出的信号差为模拟信号。

优选的，同步误差等效电路包括由若干RC单元电路串联形成的频率等效电路；频率等效电路以温度信号作为输入信号；RC单元电路包括RC低通滤波电路、RC带通滤波电路与RC高通滤波电路中的一种或多种；根据光纤传感器的温度误差整数阶模型的拉普拉斯算子的等价算子的各个子函数来相应确定各个RC单元电路的类型；等价算子等于各个子函数的乘积；等价算子根据温度误差整数阶模型的等效温度误差分数阶模型的微分阶次确定。

进一步的，同步误差等效电路还包括放大器，放大器用于根据等效温度误差分数阶模型的系数对频率等效电路的输出信号进行放大。

进一步的，误差补偿输出模块按如下方式进行输出：用光纤传感器的输出信号减去同步误差等效电路输出的温度效应误差信号得到信号差，信号差减去光纤传感器的固定误差后再进行输出。

一种上述光纤传感器的温度效应误差补偿系统的建立方法，包括以下步骤：

步骤1：建立光纤传感器的温度误差整数阶模型的等效温度误差分数阶模型：