一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法与流程

1.本发明涉及温度测量及故障诊断技术领域，尤其涉及一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法。


背景技术：

2.当荧光物质受到光源的激励后，电子从高能量状态到低能量状态的跃迁过程中则会发出荧光。受激发产生的荧光的强度会随着时间慢慢减弱，荧光强度衰减曲线理论上呈指数形态，当荧光强度从受激发后产生的光强减少至原来光强的1/e时，这个过程所经历的时间即为荧光寿命。荧光寿命会随着温度的变化而变化，通过测量荧光寿命，就可以得到外界温度。
3.荧光光纤测温传感器就是基于上述原理的一种新型温度传感器，其拥有体积小、绝缘性能好、耐高温、耐超高压、抗腐蚀、抗电磁干扰等诸多优势，在工业生产制造、高压设备安全、生物医疗工程、电气火灾监控等诸多领域有着广泛的应用前景。
4.现有技术多集中在对荧光寿命测量或温度解调算法等方面的研究，未见专门针对荧光光纤测温传感器故障诊断的内容，只有少数专利文献研究了激励光光强自调整电路、光强自适应调整方法等。
5.如cn103428982a，其公开了一种用于荧光光纤激励的光强自调整电路，自动调整光强在预定的范围，输出恒定的光强，提高光源的质量，消除光强波动对测量的干扰，减少测量误差。
6.如cn113790820a，其公开了一种具有自适应调整功能的荧光光纤测温方法，通过对荧光激励信号的分析，识别光路的好坏，并进行自适应调整，对光源和采集放大倍数控制在一定范围内，延长器件的使用寿命，改善荧光寿命信号。
7.如cn113739952a，其公开了一种具有自诊断功能的荧光光纤测温方法，通过对比不同点的电压，检测光路质量好坏，调整温度解调算法，减小因光路质量问题引起测量误差。
8.以上均未对荧光光纤测温传感器可能出现的故障进行全面分类研究，未提出各故障自动诊断的具体方法，不能实现故障原因和位置的识别定位。


技术实现要素：

9.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法，实现荧光光纤测温传感器的故障自诊断。
10.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法，包括以下步骤：步骤1：荧光光纤测温传感器的光电探测器探测光电信号；驱动激励光源发出激励光并自动调节至合适光强，荧光光纤测温传感器中的光电探测器探测光电信号，并对探测到的光电信号进行模数采样；
步骤2：荧光光纤测温传感器的数据处理单元对探测的光电信号进行数据处理，计算光源激励阶段和荧光衰减阶段光电信号数据的算术平均值；步骤2.1：将探测到的整周期光电信号数据分为光源激励阶段和荧光衰减阶段；步骤2.2：提取光源激励阶段光电信号数据采样序列的第一个数据v1、中间数据v
n/2
和最后一个数据vn，其中，v为光源激励阶段光电信号采样后的数据序列，n为采样序列中数据个数；所述光源激励阶段信号数据采样序列的第一个数据v1、中间数据v
n/2
、最后一个数据vn可采用多周期数据平均的方法来提取；步骤2.3：计算光源激励阶段光电信号数据的算术平均值v
avr
；步骤2.4：提取荧光衰减阶段光电信号数据采样序列的第一个数据u1、中间数据u
m/2
、最后一个数据um，其中，u为荧光衰减阶段光电信号采样后的数据序列，m为采样序列中数据个数；所述荧光衰减阶段信号数据采样序列的第一个数据u1、中间数据u
m/2
、最后一个数据um可采用多周期数据平均的方法来提取；步骤2.5：计算荧光衰减阶段信号数据的算术平均值u
avr
；步骤3：判断荧光光纤测温传感器中是否接入光纤传感探头；步骤3.1：若光源激励阶段光电信号数据的算术平均值v
avr
小于
µ‑
3σ且荧光衰减阶段信号数据的算术平均值u
avr
小于
µ‑
3σ，则判定为荧光光纤测温传感器中未接入光纤传感探头，其中，
µ
、σ分别为n个光纤传感探头样本光源激励阶段信号数据的算术平均值的算术平均值和标准差；步骤3.2：荧光光纤测温传感器发出未接入光纤传感探头故障指示，关闭激励光源，荧光光纤测温传感器进入低功耗状态；步骤4：判断荧光光纤测温传感器中的分光片是否存在故障；步骤4.1：若光源激励阶段光电信号数据的算术平均值v
avr
大于
µ
+3σ且荧光衰减阶段信号数据的算术平均值u
avr
小于
µ‑
3σ，则判定为荧光光纤测温传感器中的分光片故障；步骤4.2：荧光光纤测温传感器发出分光片故障指示，关闭激励光源，荧光光纤测温传感器进入低功耗状态；步骤5：判断光纤传感探头是否存在故障；步骤5.1：若光源激励阶段光电信号数据的算术平均值v
avr
大于等于
µ‑
3σ、小于等于
µ
+3σ且荧光衰减阶段信号数据的算术平均值u
avr
小于
µ‑
3σ，则判定为光纤传感探头故障；步骤5.2：荧光光纤测温传感器发出光纤传感探头故障指示，关闭激励光源，荧光光纤测温传感器进入低功耗状态；步骤6：判断荧光光纤测温传感器内的光电探测器是否检测到荧光信号；步骤6.1：计算（v1+vn）/2；步骤6.2：计算（u1+um）/2；步骤6.3：若满足v
avr
大于
µ
+3σ、u
avr
大于
µ
+3σ并且（v1+vn）/2大于等于v
n/2
、（u1+um）/2小于等于u
m/2
，则判定为荧光信号异常故障；步骤6.4：荧光光纤测温传感器发出未检测到荧光信号故障指示，关闭激励光源，荧光光纤测温传感器进入低功耗状态；
步骤6.5：若满足v
avr
大于
µ
+3σ、u
avr
大于
µ
+3σ并且（v1+vn）/2小于v
n/2
、（u1+um）/2大于u
m/2
，则判定为荧光信号正常；步骤6.6：计算荧光衰减寿命，计算温度测量值。
11.所述n个光纤传感探头样本光源激励阶段信号数据的算术平均值的算术平均值
µ
和标准差σ通过以下方式获取：步骤s1：采用n个无荧光材料的光纤传感探头样本，分别接入温度解调模块；步骤s2：驱动激励光源发出激励光并自动调节至合适光强，对光电探测器探测的光电信号进行模数采样；步骤s3：将探测到的整周期光电信号数据分为光源激励阶段和荧光衰减阶段；步骤s4：分别计算每一个光纤传感探头样本光源激励阶段信号数据的算术平均值；步骤s5：计算n个光纤传感探头样本光源激励阶段信号数据的算术平均值的标准差σ；步骤s6：计算n个光纤传感探头样本光源激励阶段信号数据的算术平均值的算术平均值
µ
。
12.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法，可以实现荧光光纤测温传感器故障自动诊断，发出故障指示，避免传感器故障造成的测量错误，可实现多种故障原因识别定位，有益于故障快速修复，提高传感器智能化程度和使用效果。
附图说明
13.图1为本发明实施例提供的温度解调模块的结构框图；图2为本发明实施例提供的温度解调模块光路结构剖面图；图3为本发明实施例提供的光纤传感探头的示意图；图4为本发明实施例提供的光源驱动信号和荧光信号的示意图；图5为本发明实施例提供的一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法的流程图；图6为本发明实施例提供的数据处理方法的流程图；图7为本发明实施例提供的判断是否接入光纤传感探头的流程图；图8为本发明实施例提供的判断是否存在分光片故障的流程图；图9为本发明实施例提供的判断是否存在光纤传感头故障的流程图；图10为本发明实施例提供的判断是否存在荧光信号异常的流程图；图11为本发明实施例提供的获取
µ
和σ的流程图。
具体实施方式
14.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
15.本实施例中，采用本发明的荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法，实现某荧光光纤测温传感器的故障自诊断。
16.本实施例中，荧光光纤测温传感器，主要由光纤传感探头和温度解调模块组成，光纤传感探头和温度解调模块通过光纤连接器连接；温度解调模块如图1和2所示，由激励光源、光电探测器、分光光路结构、光源驱动单元、信号调理单元、信号采集单元和数据处理单元组成；激励光源与光源驱动单元连接，光源驱动单元与数据处理单元连接；光电探测器与信号调理单元连接，信号调理单元与信号采集单元连接，信号采集单元与数据处理单元连接。
17.光纤传感探头如图3所示，由荧光材料、传导光纤和光纤连接器组成，传导光纤一端连接荧光材料，另一端连接光纤连接器；光纤连接器可以是st光纤连接器或fc光纤连接器。
18.光电探测器与分光光路结构连接，组成光学暗室，形成荧光接收光路；激励光源与分光光路结构连接，组成光学暗室，形成光源激励光路；荧光接收光路与光源激励光路垂直，垂足处设分光片；分光片与荧光接收光路成45度角，与光源激励光路成45度角；激励光遇分光片发生反射，荧光遇分光片发生透射；光纤连接器与光电探测器成直线同轴，分别位于分光片两侧；光源发射激励光，经分光片反射，进入光纤连接器，沿传导光纤到达荧光材料，激发荧光材料产生荧光；荧光沿传导光纤返回，经光纤连接器，透过分光片，到达光电探测器；如图4所示，光源驱动单元产生周期性驱动信号，每个周期包括光源激励阶段和荧光衰减阶段；光源激励阶段驱动光源产生激励光信号，激发荧光材料发出荧光；光源激励阶段可以采用恒定电流方式驱动光源发光，也可以采用pwm脉冲调制方式驱动光源发光；荧光衰减阶段关闭光源，荧光强度随时间衰减。
19.本实施例中，一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法，如图5所示，包括以下步骤：步骤1：荧光光纤测温传感器的光电探测器探测光电信号；驱动激励光源发出激励光并自动调节至合适光强，荧光光纤测温传感器中的光电探测器探测光电信号，并对探测到的光电信号进行模数采样；步骤2：荧光光纤测温传感器的数据处理单元对探测的光电信号进行数据处理，如图6所示，计算光源激励阶段和荧光衰减阶段光电信号数据的算术平均值；步骤2.1：将探测到的整周期光电信号数据分为光源激励阶段和荧光衰减阶段；步骤2.2：提取光源激励阶段光电信号数据采样序列的第一个数据v1、中间数据v
n/2
和最后一个数据vn，其中，v为光源激励阶段光电信号采样后的数据序列，n为采样序列中数据个数；本实施例中，可采用多周期数据平均的方法来提取光源激励阶段信号数据采样序列的第一个数据v1、中间数据v
n/2
、最后一个数据vn，提高数据的准确性；步骤2.3：计算光源激励阶段光电信号数据的算术平均值v
avr
；步骤2.4：提取荧光衰减阶段光电信号数据采样序列的第一个数据u1、中间数据u
m/2
、最后一个数据um，其中，u为荧光衰减阶段光电信号采样后的数据序列，m为采样序列中数据个数；本实施例中，可采用多周期数据平均的方法来提取荧光衰减阶段信号数据采样序列的第一个数据u1、中间数据u
m/2
、最后一个数据um，提高数据的准确性；步骤2.5：计算荧光衰减阶段信号数据的算术平均值u
avr
；
步骤3：判断荧光光纤测温传感器中是否接入光纤传感探头，如图7所示；步骤3.1：若光源激励阶段光电信号数据的算术平均值v
avr
小于
µ‑
3σ且荧光衰减阶段信号数据的算术平均值u
avr
小于
µ‑
3σ，则判定为荧光光纤测温传感器中未接入光纤传感探头，其中，其中，
µ
、σ分别为n个光纤传感探头样本光源激励阶段信号数据的算术平均值的算术平均值和标准差；步骤3.2：荧光光纤测温传感器发出未接入光纤传感探头故障指示，关闭激励光源，荧光光纤测温传感器进入低功耗状态；步骤4：判断荧光光纤测温传感器中的分光片是否存在故障，如图8所示；步骤4.1：若光源激励阶段光电信号数据的算术平均值v
avr
大于
µ
+3σ且荧光衰减阶段信号数据的算术平均值u
avr
小于
µ‑
3σ，则判定为荧光光纤测温传感器中的分光片故障；步骤4.2：荧光光纤测温传感器发出分光片故障指示，关闭激励光源，荧光光纤测温传感器进入低功耗状态；步骤5：判断光纤传感探头是否存在故障，如图9所示；步骤5.1：若光源激励阶段光电信号数据的算术平均值v
avr
大于等于
µ‑
3σ、小于等于
µ
+3σ且荧光衰减阶段信号数据的算术平均值u
avr
小于
µ‑
3σ，则判定为光纤传感探头故障；步骤5.2：荧光光纤测温传感器发出光纤传感探头故障指示，关闭激励光源，荧光光纤测温传感器进入低功耗状态；步骤6：判断荧光光纤测温传感器内的光电探测器是否检测到荧光信号，如图10所示；步骤6.1：计算（v1+vn）/2；步骤6.2：计算（u1+um）/2；步骤6.3：若满足v
avr
大于
µ
+3σ、u
avr
大于
µ
+3σ并且（v1+vn）/2大于等于v
n/2
、（u1+um）/2小于等于u
m/2
，则判定为荧光信号异常故障；步骤6.4：荧光光纤测温传感器发出未检测到荧光信号故障指示，关闭激励光源，荧光光纤测温传感器进入低功耗状态；步骤6.5：若满足v
avr
大于
µ
+3σ、u
avr
大于
µ
+3σ并且（v1+vn）/2小于v
n/2
、（u1+um）/2大于u
m/2
，则判定为荧光信号正常；步骤6.6：计算荧光衰减寿命，计算温度测量值。
20.本实施例中，n个光纤传感探头样本光源激励阶段信号数据的算术平均值的算术平均值
µ
和标准差σ通过以下方法获取方法，如图11所示：步骤s1：采用n个无荧光材料的光纤传感探头样本，分别接入温度解调模块；n为采用的样本数量，样本数量越多，所获得的数据准确性越高。
21.步骤s2：驱动激励光源发出激励光并自动调节至合适光强，对光电探测器探测的光电信号进行模数采样；步骤s3：将探测到的整周期光电信号数据分为光源激励阶段和荧光衰减阶段；步骤s4：分别计算每一个光纤传感探头样本光源激励阶段信号数据的算术平均值；该算术平均值可采用多周期数据平均的方法获取，进一步提高数据的准确性。
22.步骤s5：计算n个光纤传感探头样本光源激励阶段信号数据的算术平均值的标准差σ；
步骤s6：计算n个光纤传感探头样本光源激励阶段信号数据的算术平均值的算术平均值
µ
。
23.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

技术特征：
1.一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：荧光光纤测温传感器的光电探测器探测光电信号；步骤2：荧光光纤测温传感器的数据处理单元对探测的光电信号进行数据处理，计算光源激励阶段和荧光衰减阶段光电信号数据的算术平均值；步骤3：判断荧光光纤测温传感器中是否接入光纤传感探头；步骤4：判断荧光光纤测温传感器中的分光片是否存在故障；步骤5：判断光纤传感探头是否存在故障；步骤6：判断荧光光纤测温传感器内的光电探测器是否检测到荧光信号。2.根据权利要求1所述的一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：驱动激励光源发出激励光并自动调节至合适光强，荧光光纤测温传感器中的光电探测器探测光电信号，并对探测到的光电信号进行模数采样。3.根据权利要求1所述的一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：步骤2.1：将探测到的整周期光电信号数据分为光源激励阶段和荧光衰减阶段；步骤2.2：提取光源激励阶段光电信号数据采样序列的第一个数据v1、中间数据v
n/2
和最后一个数据v
n
，其中，v为光源激励阶段光电信号采样后的数据序列，n为采样序列中数据个数；步骤2.3：计算光源激励阶段光电信号数据的算术平均值v
avr
；步骤2.4：提取荧光衰减阶段光电信号数据采样序列的第一个数据u1、中间数据u
m/2
、最后一个数据u
m
，其中，u为荧光衰减阶段光电信号采样后的数据序列，m为采样序列中数据个数；步骤2.5：计算荧光衰减阶段信号数据的算术平均值u
avr
。4.根据权利要求3所述的一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法，其特征在于：所述光源激励阶段信号数据采样序列的第一个数据v1、中间数据v
n/2
、最后一个数据v
n
以及荧光衰减阶段信号数据采样序列的第一个数据u1、中间数据u
m/2
、最后一个数据u
m
可采用多周期数据平均的方法来提取。5.根据权利要求3所述的一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：步骤3.1：若光源激励阶段光电信号数据的算术平均值v
avr
小于
µ‑
3σ且荧光衰减阶段信号数据的算术平均值u
avr
小于
µ‑
3σ，则判定为荧光光纤测温传感器中未接入光纤传感探头，其中，
µ
、σ分别为n个光纤传感探头样本光源激励阶段信号数据的算术平均值的算术平均值和标准差；步骤3.2：荧光光纤测温传感器发出未接入光纤传感探头故障指示，关闭激励光源，荧光光纤测温传感器进入低功耗状态。6.根据权利要求5所述的一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：步骤4.1：若光源激励阶段光电信号数据的算术平均值v
avr
大于
µ
+3σ且荧光衰减阶段信号数据的算术平均值u
avr
小于
µ‑
3σ，则判定为荧光光纤测温传感器中的分光片故障；
步骤4.2：荧光光纤测温传感器发出分光片故障指示，关闭激励光源，荧光光纤测温传感器进入低功耗状态。7.根据权利要求5所述的一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法为：步骤5.1：若光源激励阶段光电信号数据的算术平均值v
avr
大于等于
µ‑
3σ、小于等于
µ
+3σ且荧光衰减阶段信号数据的算术平均值u
avr
小于
µ‑
3σ，则判定为光纤传感探头故障；步骤5.2：荧光光纤测温传感器发出光纤传感探头故障指示，关闭激励光源，荧光光纤测温传感器进入低功耗状态。8.根据权利要求5所述的一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法，其特征在于：所述步骤6的具体方法为：步骤6.1：计算（v1+v
n
）/2；步骤6.2：计算（u1+u
m
）/2；步骤6.3：若满足v
avr
大于
µ
+3σ、u
avr
大于
µ
+3σ并且（v1+v
n
）/2大于等于v
n/2
、（u1+u
m
）/2小于等于u
m/2
，则判定为荧光信号异常故障；步骤6.4：荧光光纤测温传感器发出未检测到荧光信号故障指示，关闭激励光源，荧光光纤测温传感器进入低功耗状态；步骤6.5：若满足v
avr
大于
µ
+3σ、u
avr
大于
µ
+3σ并且（v1+v
n
）/2小于v
n/2
、（u1+u
m
）/2大于u
m/2
，则判定为荧光信号正常；步骤6.6：计算荧光衰减寿命，计算温度测量值。9.根据权利要求5所述的一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法，其特征在于：所述n个光纤传感探头样本光源激励阶段信号数据的算术平均值的算术平均值和标准差通过以下方式获取：步骤s1：采用n个无荧光材料的光纤传感探头样本，分别接入温度解调模块；步骤s2：驱动激励光源发出激励光并自动调节至合适光强，对光电探测器探测的光电信号进行模数采样；步骤s3：将探测到的整周期光电信号数据分为光源激励阶段和荧光衰减阶段；步骤s4：分别计算每一个光纤传感探头样本光源激励阶段信号数据的算术平均值；步骤s5：计算n个光纤传感探头样本光源激励阶段信号数据的算术平均值的标准差σ；步骤s6：计算n个光纤传感探头样本光源激励阶段信号数据的算术平均值的算术平均值
µ
。

技术总结
本发明提供一种荧光光纤测温传感器的故障自诊断方法，涉及温度测量及故障诊断技术领域。该方法首先通过荧光光纤测温传感器中的光电探测器探测光电信号，并对探测到的光电信号进行模数采样；然后对探测的光电信号进行数据处理，计算光源激励阶段和荧光衰减阶段光电信号数据的算术平均值；进而判断荧光光纤测温传感器中是否接入光纤传感探头，荧光光纤测温传感器中的分光片是否存在故障，光纤传感探头是否存在故障，以及判断荧光光纤测温传感器内的光电探测器是否检测到荧光信号。该方法可以实现荧光光纤测温传感器故障自动诊断，发出故障指示，避免传感器故障造成的测量错误。避免传感器故障造成的测量错误。避免传感器故障造成的测量错误。


技术研发人员：张伟华 张磊 王文青
受保护的技术使用者：应急管理部沈阳消防研究所
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/7/21