摘 要

自然界中热量和温度的概念无处不在，而温度的流动形成了温度场。毫无疑问，温度场在电子生产或者化工合成等对温度敏感的行业中起着至关重要的作用。但在实际工程问题分析的过程中，通常会遇见无法直接测量，需要在实际运行时分析工件内部温度或者被分析样品异形等问题，这时往往需要使用间接接触测量的方法来重建温度场，得到我们希望得到的温度数据。

在本次研究中，我将通过光纤分布式温度感应器对管道进行测量，在直接测量各处的温值的基础上，再通过matlab平台cftool工具箱结合三阶傅里叶级数，八元多项式，三次样条插值，三阶高斯函数等四种算法对应的具体模型来进行仿真模拟。最后完成以轴向分布为自变量的一维温度场的重建。再通过特定的检验点并结合所得模拟方程的统计误差，比较四种模型的优劣性，并最终选定傅里叶算法最适用于本次研究中一维温度场的模拟重建。

关键字：一维温度场；分布式光纤传感系统；拟合算法

Abstract

In nature, the concept of heat and temperature is everywhere, and the temperature flow forms the temperature field. There is no doubt that the temperature field plays an important role in the production of electronic or chemical synthesis and so on. But in the analysis of practical engineering problems usually encountered cannot directly be measured in the actual operation of the internal temperature of the workpiece or be analyzed samples profiled such problems, then often need to use indirect contact measurement method to reconstruct temperature field, we get hope hope to obtain the temperature data.

In this study, I will through the distributed optical fiber temperature sensor on the pipeline were measured in direct measurement throughout the temperature values based on, through the Matlab toolbox cftool with third order Fourier series, eight polynomials, cubic spline interpolation, third order Gaussian function four algorithm corresponding to the specific model to simulate. Finally, the reconstruction of one dimensional temperature field with axial distribution as the independent variable is completed. Then through the specific test points and combined with the statistical error of the resulting simulation equations, the advantages and disadvantages of the four models are compared, and the final selected Fourier algorithm is most suitable for the simulation of one dimensional temperature field in this study.

Keywords：One dimensional temperature field; distributed optical fiber sensor system; fitting algorithm

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与目的 1

1.2 国内外研究现状概叙 2

1.2.1 温度场测量技术 2

1.2.2 光纤传感技术 4

1.3 研究内容 5

第二章 管道分布式温度检测系统 7

2.1 布拉格光栅原理 7

2.2 传感系统硬件组成与实现 9

2.3 测量系统实验数据 12

2.4 本章小结 13

第三章 拟合逼近模型 14

3.1 本章引言 14

3.2 基于傅里叶变换的逼近模型 14

3.3 多项式与高斯拟合模型 17

3.4 样条插值拟合模型 19

3.5 本章小结 20

第四章 温度场重建与模型验证 21

4.1 CFtool工具箱介绍 21

4.2 一维温度场拟合 23

4.3 模型验证与性能分析 28

4.4 本章小结 30

第五章 总结与展望 31

5.1 总结 31

5.2 展望 32

参考文献 33

致谢 35

第一章 绪论

1.1 研究背景与目的

自然界和生产过程中，温度这一物理量无处不在。毫无疑问，温度场是由温度流动而形成的，它涉及的领域完全覆盖了人类现代科技的各个方面，尤其是各种利用热量或散热要求高仪器的基础框架设计和全面研究。例如：化学工艺生产中，为了维持化学工艺流程的温度而研制满足某种特殊要求的加热或冷却设备及余热回收；电子工业中，为降低超规模集成电路或电子仪器的发热;机械制造工业中，合理的温度对于冷或热加工产品起着决定性的作用，等等。大多数情况下温度的高低以及热量相对交换速度的快慢对设备的性能起着关键性作用，只有明确温度场才能合理优化。

在各种机械监测中，分布式传感或准分布式传感被广泛提出。当前，能够实现温度场有效模拟的大多数实验中多使用分布式温度传感系统。其中，温度传感器有接触式温度传感器以及非接触式温度传感器两种，针对研究的需要选取合适的温度传感器。在温度场研究方法中设计合理的分布式管路多点温度的测量实验，保证测量的精确性。目前分布式光纤传感器是最常用的感应器元件。该传感结构运用分布式光纤传感原理，定位沿传输轴向上的各空间分布点，并对其随时间而发生的改变进行记录，描绘。测量系统将传感器沿温度场变化方向排布，记录被测场的空间特征与温度变化特征。

温度场在工业的各个方面均有重要的作用，但在实际使用中，往往难以直接取得我们原本想知道的温度场数据。所以本研究旨在通过分布式温度感应器测量可以直接测量各处的数据，再通过数学模型进行模拟吻合，并通过对比确定各方案的吻合度，验证各方案的性能，最终实现对温度场的有效模拟，并运用于实际工作环境中。整个研究的实现过程主要分为两个阶段：基于硬件的实验设计和基于软件平台的仿真运行。