基于加权最小二乘法的光纤光栅应变传感器参数敏感性自动优化算法.pdf

·６６·工业仪表与自动化装置２０２４年第１期

基于加权最小二乘法的光纤光栅应变传感器

参数敏感性自动优化算法

杜吉龙，张国岳，刘菁昊

（北京机械工业自动化研究所有限公司，北京１００１２０）

摘要：常规光纤光栅应变传感器参数优化方法主要依托于麻雀搜索算法，但此方法忽略了应变

传递的影响，导致传感器灵敏度较低，无法保证测量精度。为此，提出基于加权最小二乘法的光纤

光栅应变传感器参数敏感性自动优化算法。依据光纤光栅应变传感器的组成结构与工作原理，充

分考虑应变传递系数的变化规律，计算应变传递损耗，并采用光传输矩阵计算光纤中心波长的电场

振幅，由此得到传感器敏感场分布，结合模式耦合理论，以敏感场分布均匀性和最大电容与最小电

容比值最小为目标函数建立参数优化模型，并采用加权最小二乘法对采样点加权获取优化响应值，

进而得到传感器最优结构参数。对比实验结果表明，利用所提方法对光纤光栅应变传感器参数进

行优化后，传感器的灵敏度较高，保证了传感器的测量精度。

关键词：加权最小二乘法；光纤光栅应变传感器；敏感性优化；灵敏度

中图分类号：ＴＥ１９文章编号：１０００－０６８２（２０２４）０１－００６６－０５

文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．１９９５０／ｊ．ｃｎｋｉ．ＣＮ６１－１１２１／ＴＨ．２０２４．０１．０１５

Ａｕｔｏｍａｔｉｃｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｆｉｂｅｒｂｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ

ｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｓｂａｓｅｄｏｎｗｅｉｇｈｔｅｄｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｓｍｅｔｈｏｄ

ＤＵＪｉｌｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＧｕｏｙｕｅ，ＬＩＵＪｉｎｇｈａｏ

（ＢｅｉｊｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｆｏｒＭａｃｈｉｎｅｒｙＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１２０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｓｍａｉｎｌｙ

ｒｅｌｉｅｓｏｎｔｈｅｓｐａｒｒｏｗｓｅａｒｃｈａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｂｕｔｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｇｎｏｒｅｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｔｒａｉｎｔｒａｎｓｆｅｒ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎ

ｌｏｗｓｅｎｓｏｒｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｉｎａｂｉｌｉｔｙｔｏｅｎｓｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａｎａｕｔｏｍａｔｉｃｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

ａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｓｂａｓｅｄｏｎｗｅｉｇｈｔｅｄｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｓ

ｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒ

，ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｓｔｒａｉｎｔｒａｎｓ

ｆｅｒａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｒｅｇｕｌａｒｃｈａｎｇｅｓｉｎｓｔｒａｉｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒａｉｎｔｒａｎｓｆｅｒｌｏｓｓｉｓｃａｌ

ｃｕｌａｔｅｄ．Ｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｃｈａｎｇｅｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｃｈａｎｇｅｍｏｄｅｌ．Ｆｒｏｍｔｈｉｓ，

ｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍｏｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｔｈｅｏｒｙ，ａｐａｒａｍ

ｅｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｗｉｔｈｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕ