本發(fā)明屬于光纖溫度傳感測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高真空熱環(huán)境下分布式光纖溫度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)及標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

隨著我國航天器型號(hào)研制要求不斷提高，對(duì)在地面模擬空間環(huán)境下測(cè)量航天器的溫度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)航天器結(jié)構(gòu)溫度與在軌進(jìn)行航天器健康狀態(tài)診斷的需求已經(jīng)非常迫切。與傳統(tǒng)電類溫度傳感器(鉑電阻、熱電偶等)相比，光纖溫度傳感器具有抗電磁干擾、高靈敏度、輕質(zhì)柔性、不產(chǎn)生自熱、線束少，大空間分布式測(cè)量及便于組網(wǎng)的顯著優(yōu)點(diǎn)，因此，分布式溫度傳感技術(shù)可以滿足大型復(fù)雜衛(wèi)星及大型結(jié)構(gòu)件(如網(wǎng)狀天線、桁架結(jié)構(gòu)、太陽翼、機(jī)械臂等)地面空間環(huán)境試驗(yàn)與在軌健康狀態(tài)診斷方面的應(yīng)用需求，這也對(duì)分布式光纖溫度傳感器在真空(小于1.0×10^-4pa)熱環(huán)境(-150℃～+150℃)下測(cè)量精度的要求越來越高，需要對(duì)光纖溫度傳感器進(jìn)行溫度標(biāo)定。

在大氣狀態(tài)下，常規(guī)分布式光纖溫度傳感器標(biāo)定方式是直接將分布式光纖溫度傳感器本身置于恒溫氣體箱或恒溫液體浴槽內(nèi)進(jìn)行溫度標(biāo)定，而考慮到光纖溫度傳感器需要在真空熱環(huán)境下使用的實(shí)際情況，恒溫氣體箱或恒溫液體浴槽不適應(yīng)真空熱環(huán)境，因此為有效保證分布式光纖溫度傳感器測(cè)溫精度，必須針對(duì)分布式光纖溫度傳感器現(xiàn)場(chǎng)使用工況，設(shè)計(jì)新的真空熱環(huán)境下用光纖溫度傳感器自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)及標(biāo)定方法。

由于在真空環(huán)境(小于1.0×10^-4pa)下使用，真空環(huán)境下不存在對(duì)流換熱，只支持傳導(dǎo)換熱和輻射換熱方式，因此，需要對(duì)分布式光纖溫度傳感器進(jìn)行實(shí)際使用環(huán)境的標(biāo)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的之一是提供一種高真空熱環(huán)境下分布式光纖溫度標(biāo)定試件，該試件能夠提供穩(wěn)定均勻溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)溫度標(biāo)定目的，旨在滿足高真空熱環(huán)境下分布式光纖溫度標(biāo)定使用要求。

本發(fā)明的另一目的是提供一種高真空熱環(huán)境下分布式光纖溫度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，該標(biāo)定系統(tǒng)適用于分布式裸光纖溫度傳感器及各種封裝形式的分布式光纖溫度傳感器開展溫度標(biāo)定試驗(yàn)，且標(biāo)定精度高，簡(jiǎn)單易行。

此外，本發(fā)明的另一發(fā)明目的是提供一種高真空熱環(huán)境下分布式光纖溫度自動(dòng)標(biāo)定方法，該方法標(biāo)定精度高，操作簡(jiǎn)單，適用于高精度地標(biāo)定光纖溫度傳感器。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

真空熱環(huán)境下光纖光柵溫度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，包括恒溫試件、控溫儀、上位機(jī)、若干高精度鉑電阻溫度傳感器、光纖溫度傳感器以及分布式光纖測(cè)溫儀，其中，恒溫試件包括外筒、空心內(nèi)柱、頂蓋，外筒與空心內(nèi)柱固定形成一個(gè)整體套筒結(jié)構(gòu)，且空心內(nèi)柱套設(shè)在外筒的內(nèi)部，外筒的筒體上開設(shè)有向上開口的環(huán)形空間，頂蓋蓋設(shè)在外筒和空心內(nèi)柱的上表面并通過頂蓋內(nèi)圈的緊固螺栓孔和頂蓋外圈的緊固螺栓孔，分別對(duì)應(yīng)地將頂蓋與空心內(nèi)柱、外筒緊固在一起，外筒的一側(cè)壁上設(shè)置有外筒線束穿孔以供電纜通過，外筒內(nèi)表面、空心內(nèi)柱外表面、頂蓋內(nèi)外表面均勻噴涂高發(fā)射率材料，若干加熱片粘貼在外筒外表面和頂蓋外表面上用以保持其溫度，多個(gè)高精度鉑電阻溫度傳感器分別設(shè)置在外筒內(nèi)表面、頂蓋內(nèi)表面以及空心內(nèi)柱外表面中，加熱片與高精度鉑電阻溫度傳感器通過電纜分別連接到控溫儀，控溫儀通過網(wǎng)線與上位機(jī)進(jìn)行通信連接，待標(biāo)定的光纖溫度傳感器緊密纏繞在空心內(nèi)柱外表面，與高精度鉑電阻溫度傳感器置于空心內(nèi)柱外表面同一位置，通過光纜連接到分布式光纖測(cè)溫儀，標(biāo)定試驗(yàn)前制定的溫度標(biāo)定工況表，控溫儀根據(jù)上位機(jī)確定的溫度標(biāo)定工況表，全過程自動(dòng)測(cè)得設(shè)置在外筒內(nèi)表面的鉑電阻溫度數(shù)據(jù)和頂蓋內(nèi)表面的鉑電阻溫度數(shù)據(jù)，給粘貼在恒溫試件外筒外表面的加熱片和頂蓋外表面的加熱片供電，控制外筒壁與頂蓋溫度；外筒和頂蓋與空心內(nèi)柱進(jìn)行輻射換熱，當(dāng)空心內(nèi)柱筒壁鉑電阻溫度值在溫度平衡保持時(shí)間內(nèi)，溫度波動(dòng)小于等于控溫精度時(shí)，即認(rèn)為空心內(nèi)柱筒壁已成為溫度均勻場(chǎng)，分布式光纖測(cè)溫儀記錄下溫度穩(wěn)定時(shí)的光纖溫度傳感器拉曼光強(qiáng)比，控溫儀記錄下溫度穩(wěn)定時(shí)的槽內(nèi)高精度鉑電阻溫度值，獲得不同溫度工況下，同一位置光纖溫度傳感器拉曼光強(qiáng)比與高精度鉑電阻溫度值對(duì)應(yīng)關(guān)系，同步獲得多個(gè)槽內(nèi)光纖溫度傳感器拉曼光強(qiáng)比與高精度鉑電阻溫度值對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行光纖溫度傳感器在真空熱環(huán)境下的全過程自動(dòng)同步標(biāo)定。

其中，外筒的外壁留有線束穿孔，供電纜穿出恒溫試件連接外部控溫儀，供光纜穿出恒溫試件連接外部分的布式光纖測(cè)溫儀。

其中，套筒選用導(dǎo)熱好的材質(zhì)制作，例如鋁或銅材質(zhì)，外筒內(nèi)表面、空心內(nèi)柱外表面、頂蓋內(nèi)外表面均勻噴涂高發(fā)射率材料如黑漆或?qū)ζ渫馔矁?nèi)外表面、空心內(nèi)柱外表面、頂蓋內(nèi)外表面進(jìn)行表面陽極化。

其中，外筒外表面、頂蓋外表面均勻粘貼布滿加熱片。

其中，頂蓋內(nèi)圈的緊固螺栓孔和頂蓋外圈的緊固螺栓孔分別對(duì)應(yīng)著筒體和空心內(nèi)柱的固定位置。

其中，緊固螺栓孔的數(shù)量呈圓周對(duì)稱并至少為三個(gè)。

利用上述自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定的方法，包括以下步驟：

首先，標(biāo)定試驗(yàn)前制定的溫度標(biāo)定工況表，制定溫度基準(zhǔn)點(diǎn)t0、溫度間隔δt、控溫精度α、溫度平衡保持時(shí)間β、最高控溫點(diǎn)max、最低控溫點(diǎn)min、控溫點(diǎn)順序min,min+δt,min+2δt,min+3δt,…,max,max-δt,max-2δt,max-3δt,…,min,min+δt,min+2δt,min+3δt,…,t0；

然后，上位機(jī)讀取溫度標(biāo)定工況表，通過網(wǎng)線與控溫儀通信，控溫儀根據(jù)上位機(jī)確定的溫度標(biāo)定工況表，全過程自動(dòng)測(cè)得設(shè)置在外筒內(nèi)表面的鉑電阻溫度數(shù)據(jù)和頂蓋內(nèi)表面的鉑電阻溫度數(shù)據(jù)，給粘貼在恒溫試件外筒外表面的加熱片和頂蓋外表面的加熱片供電，控制外筒壁與頂蓋溫度；外筒和頂蓋與空心內(nèi)柱進(jìn)行輻射換熱，當(dāng)空心內(nèi)柱筒壁鉑電阻溫度值在溫度平衡保持時(shí)間β內(nèi)，溫度波動(dòng)小于等于控溫精度α?xí)r，即認(rèn)為空心內(nèi)柱筒壁已經(jīng)成為溫度均勻場(chǎng)；

最后，分布式光纖測(cè)溫儀記錄下溫度穩(wěn)定時(shí)的光纖溫度傳感器拉曼光強(qiáng)比，控溫儀記錄下溫度穩(wěn)定時(shí)的同一位置高精度鉑電阻溫度值，獲得不同溫度工況i下，空心內(nèi)柱筒壁同一位置光纖溫度傳感器拉曼光強(qiáng)比fi與高精度鉑電阻溫度值ti對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成分布式光纖溫度傳感器需要在真空熱環(huán)境下的全過程自動(dòng)同步標(biāo)定試驗(yàn)。

本發(fā)明的高真空熱環(huán)境下分布式光纖溫度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)及標(biāo)定方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，制作成本低，標(biāo)定傳感器數(shù)量多，全過程自動(dòng)標(biāo)定，無需人工干擾，標(biāo)定效率高，適用分布式裸光纖溫度傳感器及各種封裝形式的分布式光纖溫度傳感器開展溫度標(biāo)定試驗(yàn)。

附圖說明

圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的真空熱環(huán)境下分布式光纖溫度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)組成示意圖，其中恒溫試件700、控溫儀300、上位機(jī)800、高精度鉑電阻溫度傳感器500、外筒線束穿孔21、電纜51、分布式光纖溫度傳感器600、光纜61以及分布式光纖測(cè)溫儀400；

圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的恒溫試件立體示意圖，其中外筒200、頂蓋20、外筒線束穿孔21、頂蓋緊固螺栓孔22；

圖3是圖2的剖面圖，其中空心內(nèi)柱100；

圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的恒溫試件外筒內(nèi)的空心內(nèi)柱100結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的恒溫試件無頂蓋狀態(tài)內(nèi)部立體示意圖，其中外筒200、空心內(nèi)柱100、外筒線束穿孔21、頂蓋緊固螺栓孔22；

具體實(shí)施方式

以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的一種高真空熱環(huán)境下分布式光纖溫度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)及標(biāo)定方法進(jìn)行詳細(xì)說明，但該描述僅僅示例性的，并不旨在對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍進(jìn)行任何限制。

參見圖1，圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的真空熱環(huán)境下分布式光纖溫度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)組成示意圖，本發(fā)明的標(biāo)定系統(tǒng)包括恒溫試件700、控溫儀300、上位機(jī)800、若干高精度鉑電阻溫度傳感器500、電纜51、分布式光纖溫度傳感器600、光纜61以及分布式光纖測(cè)溫儀400，其中，圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的恒溫試件立體示意圖，該恒溫試件700包括外筒200、空心內(nèi)柱100、頂蓋20、外筒線束穿孔21以及頂蓋緊固螺栓孔22，恒溫試件700的結(jié)構(gòu)具體參見圖3-5。如圖3-5所示，該恒溫試件的外筒200與空心內(nèi)柱100底部是一個(gè)整體形成的套筒結(jié)構(gòu)，從圖4-5可以清楚地看出，空心內(nèi)柱設(shè)置在外筒200的中心位置并與外筒200之間形成容納用于容納電纜51與光纜61的環(huán)形空間，空心內(nèi)柱具有一向上開口的圓柱形空間，以用于減輕恒溫試件700的重量。參見圖2，頂蓋20蓋設(shè)在外筒200和空心內(nèi)柱100的上表面并通過頂蓋20內(nèi)圈的緊固螺栓孔和頂蓋外圈的緊固螺栓孔22，分別對(duì)應(yīng)地將頂蓋與空心內(nèi)柱100、外筒緊固在一起，外筒200的一側(cè)壁上設(shè)置有外筒線束穿孔21，以供電纜51與光纜61通過，外筒200的內(nèi)外表面、空心內(nèi)柱100內(nèi)外表面與頂蓋20內(nèi)外表面都均勻噴涂高發(fā)射率材料。

參見圖3，在一具體的實(shí)施方式中，空心內(nèi)柱可以掏空，使得內(nèi)部空心圓柱體底部接近于外筒的底部。

參見圖1，在一具體的實(shí)施方式中，加熱片粘貼在恒溫試件外筒200的外表面、頂蓋的20外表面上。三組高精度鉑電阻溫度傳感器500分別安裝在恒溫試件700外筒200內(nèi)表面、頂蓋20內(nèi)表面和空心內(nèi)柱100外表面上，加熱片與高精度鉑電阻溫度傳感器500分別通過電纜經(jīng)外筒線束穿孔21連接到控溫儀300，控溫儀300通過網(wǎng)線與上位機(jī)800進(jìn)行通信連接。待標(biāo)定的分布式光纖溫度傳感器600緊密盤繞粘貼在在恒溫試件700空心內(nèi)柱100外表面，一組高精度鉑電阻溫度傳感器500用膠水粘貼在空心內(nèi)柱100外表面，與分布式光纖溫度傳感器600置于同一位置，并通過光纜61穿過外筒線束穿孔21連接到分布式光纖測(cè)溫儀400。

其中，控溫儀300測(cè)得安裝在恒溫試件外筒200內(nèi)表面和頂蓋20內(nèi)表面的鉑電阻500溫度數(shù)據(jù)，給粘貼在恒溫試件外筒200和頂蓋20外表面的加熱片供電，控制恒溫試件外筒200筒壁與頂蓋20溫度；外筒200和頂蓋20與空心內(nèi)柱100進(jìn)行輻射換熱，最終達(dá)到熱平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)空心內(nèi)柱100外壁成為溫度均勻場(chǎng)，待標(biāo)定的光纖溫度傳感器600安裝在空心內(nèi)柱100外壁與高精度鉑電阻500溫度傳感器置于同一位置，處于同一溫度均勻場(chǎng)，通過光纜連接到分布式光纖測(cè)溫儀400，分布式光纖測(cè)溫儀400記錄下溫度穩(wěn)定時(shí)的光纖溫度傳感器600拉曼光強(qiáng)比，控溫儀300記錄下溫度穩(wěn)定時(shí)的槽內(nèi)高精度鉑電阻500溫度值，獲得不同溫度工況下，同一位置的分布式光纖溫度傳感器600拉曼光強(qiáng)比fi與高精度鉑電阻500溫度值ti對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成分布式光纖溫度傳感器需要在真空熱環(huán)境下的同步標(biāo)定試驗(yàn)。

以標(biāo)定1個(gè)分布式光纖溫度傳感器600為例，本發(fā)明分布式光纖溫度傳感器自動(dòng)標(biāo)定方法如下：

1)加電啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備并對(duì)其初始化，包括控溫儀300、上位機(jī)800以及分布式光纖測(cè)溫儀400；

2)制定試驗(yàn)用的溫度標(biāo)定工況電子表單，設(shè)定溫度基準(zhǔn)點(diǎn)t0、溫度間隔δt、控溫精度α、溫度平衡保持時(shí)間β、最高控溫點(diǎn)max、最低控溫點(diǎn)min、控溫點(diǎn)順序min,min+δt,min+2δt,min+3δt,…,max,max-δt,max-2δt,max-3δt,…,min,min+δt,min+2δt,min+3δt,…,t0。具體實(shí)例表示為，設(shè)定溫度基準(zhǔn)點(diǎn)20℃、溫度間隔20℃、控溫精度±0.5℃、溫度平衡保持時(shí)間20min、最高控溫點(diǎn)160℃、最低控溫點(diǎn)-160℃、控溫點(diǎn)順序-160℃、-140℃、-120℃、-100℃、-80℃、-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、160℃、140℃、120℃、100℃、80℃、60℃、40℃、20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃、-100℃、-120℃、-140℃、-160℃、-140℃、-120℃、-100℃、-80℃、-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃。

3)上位機(jī)800讀取溫度標(biāo)定工況電子表單，通過網(wǎng)線與控溫儀300通信，控溫儀300獲得溫度標(biāo)定工況表；

4)控溫儀300根據(jù)控溫點(diǎn)順序，當(dāng)需要控制40℃溫度點(diǎn)時(shí)，控溫儀300此時(shí)測(cè)得安裝在恒溫試件外筒200內(nèi)表面和頂蓋20內(nèi)表面的鉑電阻500溫度數(shù)據(jù)為30℃，給粘貼在恒溫試件外筒200和頂蓋20外表面的加熱片供電，控制恒溫試件外筒200筒壁與頂蓋20溫度從30℃向40℃升溫；外筒200和頂蓋20與空心內(nèi)柱100進(jìn)行輻射換熱，最終達(dá)到熱平衡狀態(tài)，當(dāng)空心內(nèi)柱100筒壁鉑電阻500溫度值在溫度平衡保持時(shí)間20min內(nèi)，溫度波動(dòng)小于等于控溫精度±0.5℃時(shí)，即可認(rèn)為空心內(nèi)柱100已經(jīng)成為溫度均勻場(chǎng)，內(nèi)槽100溫度為40±0.5℃；

5)安裝在恒溫試件700空心內(nèi)柱100的光纖溫度傳感器600通過光纜連接到分布式光纖測(cè)溫儀400，分布式光纖測(cè)溫儀400記錄溫度穩(wěn)定在40℃時(shí)的光纖溫度傳感器600拉曼光強(qiáng)比f；

6)控溫儀300記錄下溫度穩(wěn)定在40℃時(shí)的空心內(nèi)柱100高精度鉑電阻500溫度值t；

7)控溫儀300讀取溫度標(biāo)定工況表，根據(jù)控溫點(diǎn)順序，進(jìn)行下一個(gè)控溫點(diǎn)如60℃控溫，根據(jù)步驟4)、5)、6)，獲得60℃溫度時(shí)，同一個(gè)位置光纖溫度傳感器600拉曼光強(qiáng)比f與高精度鉑電阻500溫度值t，依次類推，獲得所有不同溫度工況i下，分布式光纖溫度傳感器600拉曼光強(qiáng)比fi與高精度鉑電阻500溫度值ti；

8)對(duì)所有溫度工況如-160℃、-140℃、-120℃、-100℃、-80℃、-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、160℃、140℃、120℃、100℃、80℃、60℃、40℃、20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃、-100℃、-120℃、-140℃、、-160℃、-140℃、-120℃、-100℃、-80℃、-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃，空心內(nèi)柱100外壁上的光纖溫度傳感器600拉曼光強(qiáng)比fi與高精度鉑電阻500溫度值ti，根據(jù)最小二乘法原理進(jìn)行一般多項(xiàng)式擬合ti＝knfiⁿ+kn-1fi^n-1+...+k2fi²+k1fi+k0。

本發(fā)明的分布式光纖溫度傳感器自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)中的恒溫試件不使用液體或氣體進(jìn)行浸泡恒溫，使用雙層金屬板輻射換熱，提供穩(wěn)定均勻溫度場(chǎng)，自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)全程自動(dòng)進(jìn)行溫度標(biāo)定，無需人工干預(yù)，標(biāo)定效率高，滿足高真空熱環(huán)境下分布式光纖溫度標(biāo)定使用要求，適用于分布式裸光纖溫度傳感器及各種封裝形式的分布式光纖溫度傳感器開展溫度標(biāo)定試驗(yàn)，對(duì)于提高光纖溫度傳感器在真空熱環(huán)境下測(cè)量精度具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

本發(fā)明的高真空熱環(huán)境下分布式光纖溫度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)及標(biāo)定方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，制作成本低，標(biāo)定傳感器數(shù)量多，全過程自動(dòng)標(biāo)定，無需人工干擾，標(biāo)定效率高，在真空熱環(huán)境下，-190℃～+150℃寬溫范圍內(nèi)，快速準(zhǔn)確的提供給用戶穩(wěn)定的光纖光柵溫度標(biāo)定環(huán)境，在-190℃～+150℃溫度范圍內(nèi)，溫度的穩(wěn)定性和均勻性，分別達(dá)到了優(yōu)于±0.5℃的水平，滿足高真空熱環(huán)境下分布式光纖溫度標(biāo)定使用要求，適用分布式裸光纖溫度傳感器及各種封裝形式的分布式光纖溫度傳感器開展溫度標(biāo)定試驗(yàn)。

盡管上文對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式給予了詳細(xì)描述和說明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。