一种应变光栅阵列的温度补偿方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明应变测量技术领域，具体涉及一种应变光栅阵列的温度补偿方法、装置、设备及介质。

背景技术

桥梁、公路等结构的健康监测，是确保桥梁、公路等结构安全运行的重要内容。基于光纤阵列传感技术对结构的健康状态进行监测，是目前有效的监测技术手段之一。现有技术中采用应变传感光缆对结构的状态进行监测的原理是波长解调，但应变变化通常受应力和温度影响，尤其在温度变化较大的情况下，应变的测量效果会受到较大的影响。

传统技术在解决温度效应的问题对应变测量的影响，通常采用温度补偿方法。其中温度补偿的方式包括设置温度传感光缆，电子温度计等设备，实时同步获取环境温度信息，然后去除温度影响，实现应变的准确测量。该方法的局限性在于：1、无法实现统一的温度标定；2、在结构的不同位置上，无法实现点对点的温度补偿，从而无法有效进行应变的检测。

亟须提供一种应变光栅阵列的温度补偿方法、装置、设备及介质，解决上述技术问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种应变光栅阵列的温度补偿方法、装置、设备及介质，用以解决现有技术中存在的通过外置温度测量设备实现应变测量时的温度补偿，导致温度补偿不够精确的技术问题。

一方面，本发明提供了一种应变光栅阵列的温度补偿方法，所述应变光栅阵列包括多个应变检测点，所述应变光栅阵列的温度补偿方法包括：

获取所述多个应变检测点的光栅阵列波长数据；

确定所述多个应变检测点中的结构稳定参考点，并从所述光栅阵列波长数据中确定与所述结构稳定参考点对应的参考点波长数据；所述结构稳定参考点为仅受环境温度影响，不受结构应力影响的应变检测点；

基于所述光栅阵列波长数据和所述参考点波长数据确定各所述应变检测点的温度补偿系数；

基于所述温度补偿系数对各所述应变检测点的应变值进行补偿，获得补偿应变值。

在一些可能的实现方式中，所述基于所述光栅阵列波长数据和所述参考点波长数据确定各所述应变检测点的温度补偿系数，包括：

获取第一时刻和第二时刻，并从所述光栅阵列波长数据中确定与所述第一时刻对应的第一波长值以及与所述第二时刻对应的第二波长值；

从所述参考点波长数据中提取与所述第一时刻对应的第一参考点波长值以及与所述第二时刻对应的第二参考点波长值；

基于所述第一波长值、所述第二波长值、所述第一参考点波长值以及所述第二参考点波长值确定各所述应变检测点的温度补偿系数。

在一些可能的实现方式中，所述从所述光栅阵列波长数据中确定与所述第一时刻对应的第一波长值以及与所述第二时刻对应的第二波长值，包括：

确定包括所述第一时刻的第一时间段以及包括所述第二时刻的第二时间段；

从所述光栅阵列波长数据中提取与所述第一时间段对应的第一光栅阵列波长数据以及与所述第二时间段对应的第二光栅阵列波长数据；

确定所述第一光栅阵列波长数据的第一波长表征值以及所述第二光栅阵列波长数据的第二波长表征值；

将所述第一波长表征值作为所述第一波长值，并将所述第二波长表征值作为所述第二波长值。

在一些可能的实现方式中，各所述应变检测点的温度补偿系数为：

Δλ(n)＝λ

式中，K(n)为第n个应变检测点的温度补偿系数；Δλ(n)为波长差值；λ

在一些可能的实现方式中，所述基于所述温度补偿系数对各所述应变检测点的应变值进行补偿，获得补偿应变值，包括：

获取目标时间段，并从所述光栅阵列波长数据中提取与所述目标时间段对应的初始光栅阵列波长数据，从所述参考点波长数据中提取与所述目标时间段对应的初始参考点波长数据；

确定所述初始光栅阵列波长数据的初始波长表征值和所述初始参考点波长数据的初始参考波长表征值，并将所述初始波长表征值作为各所述应变检测点的初始波长值，将所述初始参考波长表征值作为所述结构稳定参考点的初始参考波长值；

获取各所述应变检测点的实测波长值，并基于所述初始波长值和所述实测波长值确定各所述应变检测点的实测应变值；

获取所述结构稳定参考点在所述目标时间段内的参考实测波长值；

基于所述参考初始波长值、所述参考实测波长值以及所述温度补偿系数确定应变补偿量；

将所述实测应变值与所述应变补偿量的差值作为所述应变检测点的补偿应变值。

在一些可能的实现方式中，所述补偿应变值为：

y

yb(n)＝λ

bc(n)＝K(n).*(λ

λ

λ

式中，y

在一些可能的实现方式中，所述确定所述多个应变检测点中的结构稳定参考点，包括：

获取敷设所述应变光栅阵列的物体结构，基于所述物体结构确定所述结构稳定参考点；

和/或，

获取重载设备在所述应变光栅阵列上行驶后的测量波长数据，基于所述测量波长数据确定所述结构稳定参考点。

另一方面，本发明还提供了一种应变光栅阵列的温度补偿装置，所述应变光栅阵列包括多个应变检测点，所述应变光栅阵列的温度补偿装置包括：

波长数据获取单元，用于获取所述多个应变检测点的光栅阵列波长数据；

参考点波长数据确定单元，用于确定所述多个应变检测点中的结构稳定参考点，并从所述光栅阵列波长数据中确定与所述结构稳定参考点对应的参考点波长数据；所述结构稳定参考点为仅受环境温度影响，不受结构应力影响的应变检测点；

温度补偿系数确定单元，用于基于所述光栅阵列波长数据和所述参考点波长数据确定各所述应变检测点的温度补偿系数；

应变补偿单元，用于基于所述温度补偿系数对各所述应变检测点的应变值进行补偿，获得补偿应变值。

另一方面，本发明还提供了一种结构健康监测设备，包括存储器和处理器，其中，

所述存储器，用于存储程序；

所述处理器，与所述存储器耦合，用于执行所述存储器中存储的所述程序，以实现上述任意一种可能的实现方式中所述的应变光栅阵列的温度补偿方法中的步骤。

另一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质上存储有程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时以实现上述任意一种可能的实现方式中所述的应变光栅阵列的温度补偿方法中的步骤。

采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的应变光栅阵列的温度补偿方法，通过确定多个应变检测点中的仅受环境温度影响，不受结构应力影响的结构稳定参考点，并通过结构稳定参考点对各应变检测点的应变进行补偿，实现了统一的温度标定。进一步地，可基于各应变检测点的温度补偿系数对应变光栅阵列中的每一个应变检测点都进行温度补偿，实现应变检测点的点对点温度补偿，提高了温度补偿的精确性。

更进一步地，每个应变检测点的温度补偿都是通过同一个应变光栅阵列获得的波长值进行确定，链路相同，无需额外测量温度的温度测量设备，降低了温度补偿的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的应变光栅阵列的温度补偿方法的一个实施例流程示意图；

图2为本发明图1中S103的一个实施例流程示意图；

图3为本发明图2中S201的一个实施例流程示意图；

图4为本发明图1中S104的一个实施例流程示意图；

图5为本发明提供的重载设备在应变光栅阵列上行驶后的测量波长数据的一个实施例示意图；

图6为本发明提供的应变光栅阵列的温度补偿装置的一个实施例结构示意图；

图7为本发明提供的结构健康监测设备的一个实施例结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本发明中使用的流程图示出了根据本发明的一些实施例实现的操作。应当理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本发明内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器系统和/或微控制器系统中实现这些功能实体。

本发明实施例中所涉及的“第一”“第二”等描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”“第二”的技术特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如：A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。

在传统的应变检测应用过程中，应变测量值通常受温度效应的影响，因此应变测量的准确度较低。现有技术中通常需要增加额外工具设备(温度传感光缆、电子温度计等)进行校正补偿，该方法在实际运用过程中，相关数据需要严格参考空间，时间问题，否则难以保证补偿效果。针对上述问题，本发明提供了一种应变光栅阵列的温度补偿方法、装置、设备及介质，以下分别进行说明。

图1为本发明提供的一种应变光栅阵列的温度补偿方法，应变光栅阵列包括多个应变检测点；如图1所示，应变光栅阵列的温度补偿方法包括：

S101、获取多个应变检测点的光栅阵列波长数据；

S102、确定多个应变检测点中的结构稳定参考点，并从光栅阵列波长数据中确定与结构稳定参考点对应的参考点波长数据；结构稳定参考点为仅受环境温度影响，不受结构应力影响的应变检测点；

S103、基于光栅阵列波长数据和参考点波长数据确定各应变检测点的温度补偿系数；

S104、基于温度补偿系数对各应变检测点的应变进行补偿，获得补偿应变值。

与现有技术相比，本发明实施例提供的应变光栅阵列的温度补偿方法，通过确定多个应变检测点中的仅受环境温度影响，不受结构应力影响的结构稳定参考点，并通过结构稳定参考点对各应变检测点的应变进行补偿，实现了统一的温度标定。进一步地，可基于各应变检测点的温度补偿系数对应变光栅阵列中的每一个应变检测点都进行温度补偿，实现应变检测点的点对点温度补偿，提高了温度补偿的精确性。

更进一步地，每个应变检测点的温度补偿都是通过同一个应变光栅阵列获得的波长值进行确定，链路相同，无需额外测量温度的温度测量设备，降低了温度补偿的成本。

在本发明的一些实施例中，应变光栅阵列包括n个应变检测点，则在T时间段内的光栅阵列波长数据A

式中，λ

在本发明的一些实施例中，如图2所示，步骤S103包括：

S201、获取第一时刻t

S202、从参考点波长数据中提取与第一时刻t

S203、基于第一波长值、第二波长值、第一参考点波长值以及第二参考点波长值确定各应变检测点的温度补偿系数。

在本发明的具体实施例中，各应变检测点的温度补偿系数为：

Δλ(n)＝λ

式中，K(n)为第n个应变检测点的温度补偿系数；Δλ(n)为波长差值；λ

为避免单一时刻的波长不准确导致确定出的温度补偿系数不准确，进而造成获得的补偿应变值的不准确的技术问题，在本发明的一些实施例中，如图3所述，步骤S201包括：

S301、确定包括第一时刻t

S302、从光栅阵列波长数据中提取与第一时间段T

S303、确定第一光栅阵列波长数据的第一波长表征值以及第二光栅阵列波长数据的第二波长表征值；

S304、将第一波长表征值作为第一波长值，并将第二波长表征值作为第二波长值。

本发明实施例将第一时间段T

在本发明的具体实施例中，第一波长表征值为第一时间段内T

需要说明的是：为保证计算出的温度补偿系数的准确性，在第一时间段T

在本发明的一些实施例中，如图4所示，步骤S104包括：

S401、获取目标时间段，并从光栅阵列波长数据中提取与目标时间段对应的初始光栅阵列波长数据，从参考点波长数据中提取与目标时间段对应的初始参考点波长数据；

S402、确定初始光栅阵列波长数据的初始波长表征值和初始参考点波长数据的初始参考波长表征值，并将初始波长表征值作为各应变检测点的初始波长值，将初始参考波长表征值作为结构稳定参考点的初始参考波长值；

S403、获取各应变检测点的实测波长值，并基于初始波长值和实测波长值确定各应变检测点的实测应变值；

S404、获取结构稳定参考点在目标时间段内的参考实测波长值；

S405、基于参考初始波长值、参考实测波长值以及温度补偿系数确定应变补偿量；

S406、将实测应变值与应变补偿量的差值作为应变检测点的补偿应变值。

本发明实施例通过确定出的温度补偿系数可对任意目标时间段内的实测应变值进行补偿，通过与应变检测相同的链路(结构稳定参考点和应变检测点位于同一个应变光栅阵列中)实现温度场的统一，进而实现了应变测量的温度补偿，可简洁有效还原应变测量值，进一步提高了应变监测准确性与可靠性。

在本发明的具体实施例中，补偿应变值为：

y

yb(n)＝λ

bc(n)＝K(n).*(λ

λ

λ

式中，y

需要说明的是：温度补偿效果通常受结构稳定参考点以及温度补偿系数计算时的状态影响，因此，应当在应变光栅阵列敷设、标定后的不受力状态计算确定温度补偿系数。结构稳定参考点为不受应力影响的点，但与应变光栅阵列处于统一温度场内。

为提高确定出的结构稳定参考点的准确性，在本发明的一些实施例中，步骤S102中确定多个应变检测点中的结构稳定参考点，包括：

获取敷设应变光栅阵列的物体结构，基于物体结构确定结构稳定参考点；

和/或，

获取重载设备在应变光栅阵列上行驶后的测量波长数据，基于测量波长数据确定结构稳定参考点。

本发明实施例通过设置结构稳定参考点的多种确定方式，提高了方式多样性，并可通过多种确定方式的结合，提高确定出的结构稳定参考点的准确性和可靠性。

在本发明的具体实施例中，当物体结构为桥梁时，结构稳定参考点为桥墩位置处的应变检测点。

在本发明的具体实施例中，重载设备在应变光栅阵列上行驶后的测量波长数据如图5所示，由图5可知，不受重载设备影响的位置为结构稳定参考点，即图5中的P点。

需要说明的是：为确保获得的补偿应变值的可靠性，在本发明的一些实施例中，在步骤S104之后，还包括：

判断补偿应变值是否满足要求，若不满足要求，则重新执行步骤S101～S104，即：重新确定补偿应变值。

在本发明的具体实施例中，判断补偿应变值是否满足要求的方式为：判断补偿应变值是否位于参考应变值范围内，当补偿应变值位于参考应变值范围内时，补偿应变值满足要求，当补偿应变值位于参考应变值范围外时，补偿应变值不满足要求。

其中，参考应变值范围可根据物体结构的弹性模量确定，在此不做具体赘述。

为验证本发明实施例提出的应变光栅阵列的温度补偿方法的有效性，在本发明的一个实施例中，应变数据采集频率为100Hz，应变光栅阵列中光栅(应变检测点)个数200个(FGB

选取不同时间段的数据取均值，作为t1，t2时刻的第一波长值λ

[λ

[λ

进一步地波长差值Δλ(n)为1x200地矩阵：

[Δλ(1),Δλ(2),...,Δλ(200)]

在选取结构稳定参考点P的情况下，根据计算公式，

Δλ(n)＝λ

获得应变检测点的温度补偿系数为1x200矩阵，即：

K＝[K(1),K(2),...,K(200)]

补偿应变值为：

y

在具体实施例中，测量的某段时间的30s时内，即实测应变值矩阵λ

经验证，未使用本发明实施例提出的应变光栅阵列的温度补偿方法时，应变测量值为-40，且在时间上会随着的温度的变化进行缓慢的向上向下漂移，使用本发明实施例提出的应变光栅阵列的温度补偿方法后，排除了温度的应变的干扰，在不受应力的影响下，应变测量值为0，且浮动较小。

为了更好实施本发明实施例中的应变光栅阵列的温度补偿方法，在应变光栅阵列的温度补偿方法基础之上，对应地，如图6所示，本发明实施例还提供了一种应变光栅阵列的温度补偿装置，应变光栅阵列的温度补偿装置600包括：

波长数据获取单元601，用于获取多个应变检测点的光栅阵列波长数据；

参考点波长数据确定单元602，用于确定多个应变检测点中的结构稳定参考点，并从光栅阵列波长数据中确定与结构稳定参考点对应的参考点波长数据；结构稳定参考点为仅受环境温度影响，不受结构应力影响的应变检测点；

温度补偿系数确定单元603，用于基于光栅阵列波长数据和参考点波长数据确定各应变检测点的温度补偿系数；

应变补偿单元604，用于基于温度补偿系数对各应变检测点的应变值进行补偿，获得补偿应变值。

上述实施例提供的应变光栅阵列的温度补偿装置600可实现上述应变光栅阵列的温度补偿方法实施例中描述的技术方案，上述各模块或单元具体实现的原理可参见上述应变光栅阵列的温度补偿方法实施例中的相应内容，此处不再赘述。

如图7所示，本发明还相应提供了一种结构健康监测设备700。该结构健康监测设备700包括处理器701、存储器702及显示器703。图7仅示出了结构健康监测设备700的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代地实施更多或者更少的组件。

存储器702在一些实施例中可以是结构健康监测设备700的内部存储单元，例如结构健康监测设备700的硬盘或内存。存储器702在另一些实施例中也可以是结构健康监测设备700的外部存储设备，例如结构健康监测设备700上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。

进一步地，存储器702还可既包括结构健康监测设备700的内部储存单元也包括外部存储设备。存储器702用于存储安装结构健康监测设备700的应用软件及各类数据。

处理器701在一些实施例中可以是一中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器702中存储的程序代码或处理数据，例如本发明中的应变光栅阵列的温度补偿方法。

显示器703在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)触摸器等。显示器703用于显示在结构健康监测设备700的信息以及用于显示可视化的用户界面。结构健康监测设备700的部件701-703通过系统总线相互通信。

在本发明的一些实施例中，当处理器701执行存储器702中的应变光栅阵列的温度补偿程序时，可实现以下步骤：

获取多个应变检测点的光栅阵列波长数据；

确定多个应变检测点中的结构稳定参考点，并从光栅阵列波长数据中确定与结构稳定参考点对应的参考点波长数据；结构稳定参考点为仅受环境温度影响，不受结构应力影响的应变检测点；

基于光栅阵列波长数据和参考点波长数据确定各应变检测点的温度补偿系数；

基于温度补偿系数对各应变检测点的应变进行补偿，获得补偿应变值。

应当理解的是：处理器701在执行存储器702中的应变光栅阵列的温度补偿程序时，除了上面的功能之外，还可实现其他功能，具体可参见前面相关方法实施例的描述。

进一步地，本发明实施例对提及的结构健康监测设备700的类型不做具体限定，结构健康监测设备700可以为手机、平板电脑、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)、可穿戴设备、膝上型计算机(laptop)等便携式结构健康监测设备。便携式结构健康监测设备的示例性实施例包括但不限于搭载IOS、android、Microsoft或者其他操作系统的便携式结构健康监测设备。上述便携式结构健康监测设备也可以是其他便携式结构健康监测设备，诸如具有触敏表面(例如触控面板)的膝上型计算机(laptop)等。还应当理解的是，在本发明其他一些实施例中，结构健康监测设备700也可以不是便携式结构健康监测设备，而是具有触敏表面(例如触控面板)的台式计算机。

相应地，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储计算机可读取的程序或指令，程序或指令被处理器执行时，能够实现上述各方法实施例提供的应变光栅阵列的温度补偿方法步骤或功能。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件(如处理器，控制器等)来完成，计算机程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上对本发明所提供的应变光栅阵列的温度补偿方法、装置、结构健康监测设备及介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。