應(yīng)用模糊策略的熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)研究

孫 巖， 齊 虹

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院， 福建 福州　350116)

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應(yīng)用模糊策略的熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)研究

孫 巖， 齊 虹

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院， 福建 福州350116)

分析熒光光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)中導(dǎo)致熒光壽命存在非線性誤差的原因. 為更好地實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償功能提高檢測(cè)精度， 采用模糊策略對(duì)熒光壽命進(jìn)行非線性誤差補(bǔ)償， 以消除誤差產(chǎn)生的影響. 利用Matlab軟件建立仿真模型， 與實(shí)際系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證. 結(jié)果表明， 所研究的測(cè)溫系統(tǒng)能有效地提高熒光壽命值檢測(cè)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性， 這對(duì)于提高熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)的精度及魯棒性具有重要意義.

熒光光纖； 熒光壽命； 模糊策略； 非線性補(bǔ)償

0　引言

在熒光光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)中， 硬件電路采樣熒光余輝衰減曲線， 利用熒光壽命檢測(cè)算法對(duì)余輝曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 求得熒光壽命, 熒光壽命又與溫度存在單值函數(shù)關(guān)系， 所以通過(guò)計(jì)算熒光壽命即可得到相應(yīng)的檢測(cè)溫度. 理想情況下， 熒光余輝以單指數(shù)規(guī)律衰減， 余輝曲線的各段區(qū)間反映出的熒光壽命為常數(shù)值. 但在實(shí)際熒光光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)所采樣的數(shù)據(jù)中， 由于系統(tǒng)受到測(cè)量環(huán)境以及硬件電路等實(shí)際因素的影響， 熒光余輝曲線并不符合單指數(shù)衰減規(guī)律， 導(dǎo)致曲線各段反映的熒光壽命呈非線性變化， 這種變化對(duì)溫度測(cè)量的穩(wěn)定性有很大影響[1]. 因此， 要提高檢測(cè)精度并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測(cè)溫， 就要采用誤差補(bǔ)償方法補(bǔ)償熒光壽命的非線性誤差干擾.

文獻(xiàn)[2]中提到利用最小二乘法多項(xiàng)式曲線擬合原理補(bǔ)償磁敏傳感器的非線性溫度誤差. 文獻(xiàn)[3]利用分段線性補(bǔ)償方法補(bǔ)償功率測(cè)量中的誤差. 考慮到熒光光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)中采樣的是反映熒光余輝的光信號(hào)， 因此, 計(jì)算得到的熒光壽命具有時(shí)變性和非線性， 很難找到精確的數(shù)學(xué)模型[4]. 本研究提出將模糊技術(shù)(fuzzy technology)應(yīng)用到熒光光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)中， 通過(guò)對(duì)隸屬度函數(shù)的選擇以及模糊控制規(guī)則的確定， 實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光壽命的非線性誤差補(bǔ)償. 經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證， 模糊技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提高熒光光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度及穩(wěn)定性.

1　熒光壽命的非線性誤差分析

理論上認(rèn)為, 激勵(lì)光消失后熒光材料自發(fā)輻射產(chǎn)生的熒光余輝為單指數(shù)衰減曲線[5]， 可用下式表示：

(1)

其中:I(t)為熒光強(qiáng)度；I0為激勵(lì)光關(guān)斷時(shí)熒光信號(hào)的初始光強(qiáng)；τ為熒光壽命， 是熒光材料的內(nèi)在屬性；t為測(cè)量時(shí)間. 通過(guò)熒光壽命檢測(cè)算法可得熒光壽命τ. 本系統(tǒng)采用的檢測(cè)算法為積分法[6]， 見下式：

(2)

熒光衰減曲線在t1、t2兩個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度為：

(3)

(4)

聯(lián)立得到熒光壽命τ：

(5)

固定Δt=t2-t1， 其大小小于整段余輝曲線的采樣時(shí)間. 若從余輝曲線的起始處依次遞推區(qū)間Δt直到余輝曲線衰減結(jié)束， 則利用式(5)求得的理想余輝曲線的熒光壽命τ不受遞推區(qū)間影響， 恒為常數(shù). 但是實(shí)際測(cè)溫系統(tǒng)采樣的余輝曲線并不符合式(1)的衰減規(guī)律， 該曲線與其按照單指數(shù)函數(shù)擬合的曲線對(duì)比如圖1所示. 利用積分法求得實(shí)測(cè)余輝曲線的熒光壽命τ隨遞推區(qū)間推移呈單調(diào)遞減趨勢(shì)， 與理想余輝曲線遞推區(qū)間得到的熒光壽命τ存在非線性誤差. 因此， 余輝曲線的非指數(shù)變化是影響熒光壽命非線性的關(guān)鍵因素. 下面對(duì)余輝曲線的非單指數(shù)變化原因進(jìn)行分析.

1.1熒光發(fā)光機(jī)理分析

實(shí)測(cè)環(huán)境下， 電子躍遷過(guò)程會(huì)受到周圍環(huán)境物理狀態(tài)的影響， 存在多普勒增寬及碰撞增寬效應(yīng)導(dǎo)致譜線變寬， 使熒光余輝曲線不為單一指數(shù)變化規(guī)律， 而是若干個(gè)指數(shù)變化余輝的疊加[7-8]. 并且由于量子效應(yīng)的不確定性， 躍遷能級(jí)不是線狀能級(jí)， 而是存在一定能級(jí)寬度， 也是造成熒光余輝曲線非單指數(shù)變化的因素. 對(duì)于上述譜線增寬以及能級(jí)寬度的影響， 熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)可以通過(guò)熒光材料的選取和光學(xué)濾波提高熒光單色性， 減小熒光發(fā)光機(jī)理方面對(duì)余輝曲線的非指數(shù)變化影響[9].

1.2硬件電路分析

硬件電路中某些元器件的應(yīng)用會(huì)引入干擾， 對(duì)余輝曲線測(cè)量的影響， 也是實(shí)測(cè)余輝曲線非單指數(shù)變化的原因. 熒光光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)電路通過(guò)光敏器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)， 這個(gè)電信號(hào)極其微小僅為納安級(jí)別. 因此， 通常電路設(shè)計(jì)中均要采用放大電路對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大. 考慮到實(shí)際環(huán)境的干擾， 信號(hào)檢測(cè)電路需要配合濾波環(huán)節(jié)以消除采樣過(guò)程中高頻噪聲的影響， 提高系統(tǒng)的魯棒性. 但濾波電路相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了小慣量環(huán)節(jié)， 會(huì)產(chǎn)生自身的衰減時(shí)間常數(shù)， 該環(huán)節(jié)的影響使得檢測(cè)到的實(shí)際熒光余輝曲線不再是呈單指數(shù)衰減函數(shù)， 而是呈非線性變化， 從而使得熒光壽命的檢測(cè)產(chǎn)生非線性誤差.

2　模糊策略熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)于上述分析的熒光壽命的非線性變化影響， 本研究提出利用模糊技術(shù)進(jìn)行智能化誤差補(bǔ)償以得到穩(wěn)定的熒光壽命， 從而提高溫度測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性. 模糊技術(shù)是基于模糊集合(F集合)、 模糊關(guān)系與模糊邏輯推理等理論的一種智能控制方法[10]. 首先確定檢測(cè)系統(tǒng)中精確輸入變量xi， 按照隸屬度函數(shù)μ(xi)轉(zhuǎn)化為模糊輸入變量， 總結(jié)工作人員調(diào)試經(jīng)驗(yàn)以及檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際工程情況給出模糊控制規(guī)則R， 進(jìn)行模糊推理， 最后給出模糊輸出判決， 利用反模糊化方法將模糊輸出轉(zhuǎn)化為精確輸出. 其原理結(jié)構(gòu)圖見2.

2.1系統(tǒng)的模糊策略設(shè)計(jì)

熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)中將非線性變化的熒光壽命值τ1和其變化率k作為輸入變量， 將對(duì)應(yīng)的理想恒定熒光壽命值τ2作為輸出變量， 則本系統(tǒng)定義為雙輸入-單輸出的模糊推理系統(tǒng). 根據(jù)本測(cè)溫系統(tǒng)的工程參數(shù)可知， 這些語(yǔ)言變量的基本論域?yàn)棣?=[2.001， 3.999]，k=[0.649， 0.909]，τ2=[1.991， 3.011]. 確定覆蓋輸入、 輸出變量論域的F子集個(gè)數(shù)， 則各F子集用模糊語(yǔ)言值表示如下：

τ1={S1，S0， CE，B0，B1}，k={S2，S1，S0， CE，B0，B1，B2}，τ2={S1，S0， CE，B0，B1}

隸屬度函數(shù)就是建立從基本論域U到[0, 1]的映射關(guān)系， 反映論域中各個(gè)元素屬于某個(gè)模糊子集(F子集)的程度. 基于模糊論域的連續(xù)性， 本系統(tǒng)選取三角型隸屬函數(shù). 由于熒光壽命非線性遞減的起始段處分辨率較大， 因此， 起始段處采用高分辨率隸屬函數(shù)(窄型)的模糊集合. 并且經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不斷修正， 最終確定系統(tǒng)輸入、 輸出變量F子集的隸屬函數(shù). 圖3為輸入、 輸出變量的模糊子集隸屬度分布.

模糊規(guī)則是根據(jù)工作人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)以及被測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際工程應(yīng)用總結(jié)出來(lái)的， 一般采用“if…then…”模糊條件語(yǔ)句的形式表達(dá). 基于對(duì)光纖測(cè)溫系統(tǒng)的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出該系統(tǒng)的具體模糊控制規(guī)則， 如下：

ifτ1=S1andk=S2thenτ2=S1

ifτ1=S1andk=S1thenτ2=S1

┋

ifτ1=B0andk=B2thenτ2=B1

ifτ1=B1andk=B2thenτ2=B1

本系統(tǒng)采用Mamdani模糊推理法， 則每條模糊規(guī)則都反映一個(gè)模糊關(guān)系Ri(i=1， 2， …, 35)， 系統(tǒng)總的模糊關(guān)系R就是這些模糊關(guān)系的并[11-12]. 如下式：

(6)

根據(jù)上述模糊關(guān)系可以確立該系統(tǒng)的模糊控制矩陣是一個(gè)5×7的矩陣, 可以將該矩陣寫成模糊控制規(guī)則表的形式， 將模糊控制表寫入到計(jì)算機(jī)中即可實(shí)現(xiàn)查表法進(jìn)行模糊判決， 具有查算方便、 快速簡(jiǎn)捷的優(yōu)點(diǎn). 若某時(shí)刻精確輸入量為τ1和k1， 它們不會(huì)激活全部模糊控制規(guī)則， 只會(huì)激活相應(yīng)的模糊規(guī)則得到總的輸出模糊子集， 然后利用反模糊化方法將模糊輸出量轉(zhuǎn)化為清晰輸出量τ2， 即本系統(tǒng)理想的熒光壽命值. 為實(shí)現(xiàn)良好的控制性能， 系統(tǒng)選擇的反模糊化方法為(最大隸屬度)最大值法(lom)[13]. 即確定被激活的輸出模糊子集中的最大隸屬度， 其對(duì)應(yīng)到基本論域中的最大值作為清晰輸出.

2.2系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

將上述模糊策略應(yīng)用到熒光光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)中, 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示. 光纖探頭接觸熒光光纖測(cè)溫點(diǎn)， 系統(tǒng)硬件電路中驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)激勵(lì)光源發(fā)出周期性的脈沖激勵(lì)光， 激勵(lì)光耦合進(jìn)入光纖后傳輸?shù)焦饫w探頭激勵(lì)熒光材料， 熒光材料受激勵(lì)后發(fā)出的熒光由光纖傳回， 通過(guò)濾光片濾光， 進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后形成微弱電流信號(hào)， 再通過(guò)放大電路及濾波電路后經(jīng)A/D采樣得到較平穩(wěn)的電信號(hào)， 即為熒光余輝曲線[14]. 采樣到余輝曲線后， 利用積分法求得非線性變化的熒光壽命， 加入模糊策略對(duì)熒光壽命進(jìn)行智能化的非線性誤差補(bǔ)償， 得到穩(wěn)定的熒光壽命. 再利用數(shù)據(jù)擬合方法得到熒光壽命與溫度的擬合曲線， 將熒光壽命轉(zhuǎn)換成溫度信息， 實(shí)現(xiàn)熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)的溫度檢測(cè).

3　仿真實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證方案的可行性， 利用Matlab軟件搭建熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)的仿真模型. 采取階躍信號(hào)模擬熒光的激勵(lì)過(guò)程， 給定一個(gè)單指數(shù)函數(shù)模擬理想的余輝曲線衰減， 采用慣性環(huán)節(jié)表示影響余輝曲線非指數(shù)變化的因素， 加入到理想的余輝曲線中， 即可模擬非指數(shù)衰減的余輝曲線， 仿真結(jié)構(gòu)圖如圖5所示. 仿真采用變步長(zhǎng)， 采集輸出的熒光余輝曲線數(shù)據(jù)， 并利用積分法求得熒光壽命， 將其進(jìn)行模糊策略控制， 則能夠得到系統(tǒng)加入模糊策略前后的熒光壽命輸出對(duì)比.

加入模糊策略前后得到的熒光壽命對(duì)比如圖6所示. 通過(guò)仿真數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證， 加入模糊技術(shù)的應(yīng)用后可以在一定程度上消除熒光壽命的非線性誤差， 解決檢測(cè)過(guò)程中干擾因素的影響， 得到各個(gè)溫度下近似恒定的熒光壽命值.

同時(shí)， 圖6中加入模糊技術(shù)后得到的各遞推區(qū)間的熒光壽命， 與仿真中設(shè)定的理想情況下恒定熒光壽命值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.016， 說(shuō)明誤差補(bǔ)償效果良好. 綜上所述， 模糊技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠提高熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性， 而且對(duì)于提高系統(tǒng)的魯棒性也具有重要意義.

4　結(jié)語(yǔ)

提出將模糊技術(shù)應(yīng)用到熒光光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)中, 以消除測(cè)溫系統(tǒng)中物理環(huán)境及硬件電路對(duì)熒光壽命的非線性影響. 經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 改進(jìn)的熒光光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)熒光壽命的非線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償， 得到穩(wěn)定的熒光壽命. 這種推理策略不需要找出被測(cè)系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型， 由于加入人類思維和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)， 可以實(shí)現(xiàn)智能化的誤差補(bǔ)償， 實(shí)現(xiàn)熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)高精度、 高智能的溫度檢測(cè). 因此， 研究模糊技術(shù)在熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要意義， 并且能夠促進(jìn)熒光光纖測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展.

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(責(zé)任編輯： 沈蕓)

Study on fluorescence fiber temperature measurement system using fuzzy strategy

SUN Yan， QI Hong

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou， Fujian 350116, China)

The reason that fluorescence lifetime of optical fiber fluorescence temperature measuring system exists nonlinear error is analyzed. In order to realize error compensation to improve the detection accuracy, the paper adopts fuzzy strategy for nonlinear error compensation of the fluorescence lifetime to eliminate the influence of errors. Use simulation model established by Matlab and test data of actual system to verify the experimental result, and it shows that temperature measurement system can effectively improve the stability and accuracy of fluorescence lifetime. So the research has important significance for improving the accuracy and robustness of the fluorescence optical fiber temperature measuring system.

fluorescence fiber; fluorescence lifetime; fuzzy strategy; nonlinear compensation

10.7631/issn.1000-2243.2016.01.0076

1000-2243(2016)01-0076-05

2015-03-21

齊虹(1961-)， 教授， 主要從事控制工程、 電氣工程、 計(jì)算機(jī)控制、 自動(dòng)化等研究， qihong@fzu.edu.cn

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012J01259)

TP274.2

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