第一篇：光纖傳感器測(cè)溫設(shè)計(jì)報(bào)告

課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告

學(xué)生姓名: 學(xué) 院: 班 級(jí):

學(xué) 號(hào)： 電氣工程學(xué)院 電技091

題 目:

光線溫度傳感器測(cè)溫設(shè)計(jì)

指導(dǎo)教師： 陳宏起 職稱:

2012 年 12 月 29 日

光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了金屬熱膨脹式光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)，利用金屬件的熱膨脹的原理，通過繞制在金屬件上的光纖損耗產(chǎn)生變化，當(dāng)光源輸出光功率穩(wěn)定的情況下，探測(cè)器接收光功率受溫度調(diào)制，通過光電轉(zhuǎn)換，信號(hào)處理，完成溫度的換算。傳感器以光纖為傳輸手段，以光作為信號(hào)載體，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定、可靠，靈敏度高。

關(guān)鍵詞：光纖，傳感器，在光通信系統(tǒng)中，光纖是用作遠(yuǎn)距離傳輸光波信號(hào)的媒質(zhì)。在實(shí)際光傳輸過程中，光纖易受外界環(huán)境因素的影響；如溫度、壓力和機(jī)械擾動(dòng)等環(huán)境條件的變化引起光波量，如發(fā)光強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能測(cè)出光波量的變化，就可以知道導(dǎo)致這些光波量變化的物理量的大小，于是出現(xiàn)了光纖傳感技術(shù)。

一：光纖傳感器的基本原理

在光纖中傳輸?shù)膯紊獠捎萌缦滦问降姆匠瘫硎? E=錯(cuò)誤！未找到引用源。

式中，錯(cuò)誤！未找到引用源。是光波的振幅：w是角頻率；為初相角。該式包含五個(gè)參數(shù)，即強(qiáng)度錯(cuò)誤！未找到引用源。、頻率w、波長(zhǎng)錯(cuò)誤！未找到引用源。、相位（wt+）和偏振態(tài)。光纖傳感器的工作原理就是用被測(cè)量的變化調(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對(duì)已知調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而得到被測(cè)量。當(dāng)被測(cè)物理量作用于光纖傳感頭內(nèi)傳輸?shù)墓獠〞r(shí)，使的強(qiáng)度發(fā)生變化，就稱為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器；當(dāng)作用的結(jié)果使傳輸光的波長(zhǎng)、相位或偏振態(tài)發(fā)生變化時(shí)，就相應(yīng)的稱為波長(zhǎng)、相位或偏振調(diào)制型光纖傳感器。

（一）強(qiáng)度調(diào)制

1.發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制傳感器的調(diào)制原理 光纖傳感器中發(fā)光強(qiáng)度的調(diào)制的基本原理可簡(jiǎn)述為，以被測(cè)量所引起的發(fā)光強(qiáng)度變化，來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的檢測(cè)和控制。其基本原理如圖5-39所示。光源S發(fā)出的發(fā)光強(qiáng)度為錯(cuò)誤！未找到引用源。的光柱入傳感頭，在傳感頭內(nèi)，光在被測(cè)物理量的作用下強(qiáng)度發(fā)生變化，即受到了外場(chǎng)的調(diào)制，使得輸出發(fā)光強(qiáng)度錯(cuò)誤！未找到引用源。產(chǎn)生與被測(cè)量有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的變化。由光電探測(cè)器檢測(cè)出發(fā)光強(qiáng)度的信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理解調(diào)就得到了被測(cè)信號(hào)。2.發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的方式

（1）利用光纖微彎效應(yīng)；

（2）利用被測(cè)量改變光纖或者傳感頭對(duì)光波的吸收特性來實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制；

（3）通過與光纖接觸的介質(zhì)折射率的改變來實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制；（4）在兩根光纖間通過倏逝波的耦合實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制；

（5）利用發(fā)送光纖和接收光纖作相對(duì)橫向或縱向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制，這是當(dāng)被測(cè)物理量引起接收光纖位移時(shí)，改變接收發(fā)光強(qiáng)度，從而達(dá)到發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的目的。這種位移式發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的光纖傳感器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)較為成熟的光纖傳感器。

3.發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制型傳感器根據(jù)其調(diào)制環(huán)節(jié)在光纖內(nèi)部還是在光纖外部可以分為功能型和非功能型兩種。

4.強(qiáng)度調(diào)制式光纖傳感器的特點(diǎn) 解調(diào)方法簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、運(yùn)行可靠、造價(jià)低。缺點(diǎn)是測(cè)量精度較低，容易產(chǎn)生偏移，需要采取一些自補(bǔ)償措施。

（二）相位調(diào)制

相位調(diào)制光纖傳感器的基本原理

通過被測(cè)量的作用，使光纖內(nèi)傳播的光相位發(fā)生變化，再利用干涉測(cè)量技術(shù)把相位轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測(cè)出待測(cè)的物理量。如圖5-40其中圖a、b、c分別為邁克爾遜、馬赫-澤得和法布里-珀羅式的全光纖干涉儀結(jié)構(gòu)。

（三）波長(zhǎng)調(diào)制

波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器的基本原理

波長(zhǎng)調(diào)制傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖5-41。

二.光纖傳感器的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器的主要特點(diǎn)是：（1）抗電磁干擾，電絕緣；本質(zhì)安全（2）靈敏度高

（3）重量輕，體積小，外形可變（4）測(cè)量對(duì)象廣泛（5）對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小

（6）可以進(jìn)行連續(xù)分布測(cè)量，便于復(fù)用，便于成網(wǎng)

光纖溫度傳感器

光纖溫度傳感器是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一門新型的測(cè)溫技術(shù)。它基于光信號(hào)傳送信息，具有絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓等優(yōu)勢(shì)特征。在國(guó)外，光纖溫度傳感器發(fā)展很快，形成了多種型號(hào)的產(chǎn)品，并已應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，取得了很好的效果。國(guó)內(nèi)在這方面的研究也如火如荼，多個(gè)大學(xué)、研究所與公司展開合作，研發(fā)了多種光纖測(cè)溫系統(tǒng)投入到了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。按工作原理分，光纖溫度傳感器可分為功能性和傳輸型兩種。功能型溫度傳感器中光纖作為傳感器的同時(shí)也是光信號(hào)的載體，而傳輸型溫度傳感器中光纖則只傳輸光信號(hào)。目前主要的光纖溫度傳感器包括分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器等。其中應(yīng)用最多當(dāng)屬分布式光纖溫度傳感器與光纖光柵溫度傳感器。

1）分布式光纖溫度傳感器

分布式光纖傳感器最早是在1981 年由英國(guó)南安普敦大學(xué)提出的。激光在光纖傳送中的反射光主要有瑞利散射（Rayleigh scatter）、拉曼散（Ramanscatter）、和布里淵散射（Brillouin scatter）三部分，如圖1 所示。

分布式光纖傳感器經(jīng)歷從最初的基于后向瑞利散射的液芯光纖分布式溫度監(jiān)控系統(tǒng)，到電力系統(tǒng)保護(hù)與控制基于光時(shí)域（OTDR）拉曼散射的光纖測(cè)溫系統(tǒng)，以及基于光頻域拉曼散射光纖測(cè)溫系（ROFDA）等等。目前其測(cè)量距離最長(zhǎng)可達(dá)30 km，測(cè)量精度最高可達(dá)0.5℃，空間定位精度最高可達(dá)0.25 m，溫度分辨率最高可達(dá)到0.01℃左右。目前，分布式光纖溫度傳感器主要基于拉曼散射效應(yīng)及光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)分布式測(cè)量，如York Sensa、Sensornet 等公司產(chǎn)品。基于布里淵散射光時(shí)域及光頻域系統(tǒng)也是當(dāng)前光纖傳感器領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，LIOS、MICRION OPTICS等公司已有相應(yīng)的產(chǎn)品。2）光纖光柵點(diǎn)式溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感器是利用光纖材料的光敏性在光纖纖芯形成的空間相位光柵來進(jìn)行測(cè)溫的。光纖光柵以波長(zhǎng)為編碼，具有傳統(tǒng)傳感器不可比擬的優(yōu)勢(shì)，已廣泛用于建筑、航天、石油化工、電力行業(yè)等。光纖光柵溫度傳感器主要有Bragg 光纖光柵溫度傳感器和長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器。Bragg 光纖光柵是指單模摻鍺光纖經(jīng)紫外光照射成柵技術(shù)而形成的全新光纖型Bragg 光柵，成柵后的光纖纖芯折射率呈現(xiàn)周期性分布條紋并產(chǎn)生Bragg 光柵效應(yīng)，其基本光學(xué)特性就是以共振波長(zhǎng)為中心的窄帶光學(xué)濾波器，滿足如下光學(xué)方程：

λb = 2nΛ（1）式中：λb為Bragg 波長(zhǎng)；Λ 為光柵周期；n 為光纖模式的有效折射率。

長(zhǎng)周期光纖光柵是一種特殊的光纖光柵，其傳光原理是將前向傳輸?shù)幕ｑ詈系角跋騻鬏數(shù)陌鼘幽Ｖ小Ｓ捎谄鋵拵V波、極低的背景發(fā)射等特點(diǎn)引起人們的重視，是一種新型的寬帶帶阻濾波器。

光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì) 根據(jù)光纖彎曲損耗的理論分析，光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)由三大部分組成：溫度敏感頭、傳輸與信號(hào)處理部分，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

1、溫度敏感頭

溫度敏感頭是溫度傳感器中最主要的部件，是將所測(cè)量溫度轉(zhuǎn)換成直接能夠測(cè)量的參數(shù)，在這里，是轉(zhuǎn)換成光纖的損耗大小，同等狀態(tài)下，損耗大，探測(cè)器接收到的光功率小，反之，接收到功率就大。傳感頭主要由多模光纖與金屬構(gòu)件組成，如圖3 所示，將光纖施加一定的張力后直接加載在多邊形金屬構(gòu)件上，固定好后將光纖兩端頭引出，在引出光纖的兩端制作連接器，外加光纖保護(hù)措施，傳感頭主要工序就已經(jīng)完成了。金屬零件隨溫度高低不同產(chǎn)生形變也不一樣，加載在零件上光纖彎曲損耗大小隨之改變金屬件受到溫度越高，形變?cè)酱?，在光源輸出光功率穩(wěn)定情況下，光纖彎曲損耗增加時(shí)，探測(cè)器接收到的光功率就會(huì)減小，反之，接收到的光功率增大。當(dāng)傳感頭處的溫度場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，通過探測(cè)器將接收到的不同光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)一步處理、計(jì)算，輸出外界的溫度值大小。金屬零件在熱變形時(shí)，其變形量不僅與零件尺寸、組成該形體的材料線膨脹系數(shù)α、環(huán)境溫度t 有關(guān)，而且與形體結(jié)構(gòu)因子(取決于幾何參數(shù))有關(guān)，計(jì)算比較復(fù)雜，在這里采用傳統(tǒng)的公式模擬來計(jì)算：

Lt=L[1+α(t-20°C)](5)式中，Lt—溫度t 時(shí)的尺寸；L—20℃時(shí)的尺寸；α—線膨脹系數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式比較復(fù)雜，可選用平均線膨脹系數(shù)，經(jīng)過查表可知。為了提高傳感器的靈敏度，溫度敏感頭金屬材料需選用膨脹系數(shù)較大的，且膨脹系數(shù)在整個(gè)溫度測(cè)量區(qū)間要較穩(wěn)定，有較好重復(fù)性；溫度敏感頭的結(jié)構(gòu)形狀也是要考慮的另一個(gè)因素，不同的形狀，對(duì)靈敏度影響很大。要提高傳感頭對(duì)溫度的響應(yīng)時(shí)間，需要選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料，比熱越小越好，在溫度突變時(shí)，能快速響應(yīng)。經(jīng)過課題組反復(fù)計(jì)算與試驗(yàn)，選用成本較低、加工容易、導(dǎo)熱較快，并且滿足使用范圍的金屬材料鋁。通過試驗(yàn)，傳感器在-40°C～＋80°C溫度范圍內(nèi)均可精確工作。

2、傳輸部分

光纖在這里不僅要作為轉(zhuǎn)換器件使用，同時(shí)也作為光信號(hào)傳輸載體，選用對(duì)彎曲損耗更敏感的多模光纖，一般地采用62.5/125μm 標(biāo)準(zhǔn)的多模光纖。由于加載光纖時(shí)要施加一定的張力控制，使得光纖纏繞在金屬零件上，光纖本身就比較容易損壞，敏感頭處光纖長(zhǎng)時(shí)間受到一定內(nèi)應(yīng)力作用，必須對(duì)光纖的涂層進(jìn)行加固耐磨處理，增加傳感器使用的可靠性。

3、信號(hào)處理部分信號(hào)處理部分主要由發(fā)光管、探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)電路與數(shù)字電路處理兩部分組成，發(fā)光管、探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)已經(jīng)非常成熟。數(shù)字電路處理主要使用價(jià)廉物美的單片機(jī)，CPU使用美國(guó)ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89C52 單片機(jī)，是一塊具有低電壓、高性能CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和256bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），全部采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS－51 指令系統(tǒng)及8052 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8 位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。A/D 轉(zhuǎn)換采用AD 公司生產(chǎn)的12 位D574A 芯片，轉(zhuǎn)換時(shí)間位25μs，數(shù)字位數(shù)可設(shè)定為12 位，也可設(shè)為8 位，內(nèi)部集成有轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、參考電壓和三態(tài)輸出鎖存，可以與微機(jī)直接接口。為了方便在現(xiàn)場(chǎng)使用，光纖溫度傳感器擴(kuò)展了LCD 顯示接口，同時(shí)還擴(kuò)展了一個(gè)RS-232 通信口，用于同上位機(jī)進(jìn)行通信，將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，進(jìn)一步分析處理。整個(gè)監(jiān)控程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要的功能模塊有：系統(tǒng)初始化，A/D 采樣周期設(shè)定，數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)處理，串行通信，中斷保護(hù)與處理，顯示與鍵盤掃描程序等。程序采用單片機(jī)匯編語言來編寫，使用廣泛、運(yùn)算的速度快等特點(diǎn)，有效的利用單片機(jī)上有限的RAM 空間，其中，由于溫度的變化引起光強(qiáng)的變化不是線性的，因此我們采用查表法對(duì)其測(cè)量值進(jìn)行線性補(bǔ)償。

試驗(yàn)檢驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

已經(jīng)制作好的溫度敏感頭通過試驗(yàn)測(cè)試。第一步，在溫度敏感頭的一端光纖連接器上加載穩(wěn)定的短波長(zhǎng)的光源，另一端接相匹配的光功率計(jì)，將溫度敏感頭置入恒溫槽中；

第二步，設(shè)置恒溫槽溫度，觀察光功率計(jì)值的變化情況，要滿足在測(cè)量的整個(gè)工作區(qū)間光功率都有變化；

第三步，定點(diǎn)測(cè)量，設(shè)定幾個(gè)或更多溫度點(diǎn)，記錄下，溫度與光功率對(duì)應(yīng)值，反復(fù)多次試驗(yàn)，觀察溫度敏感頭的重復(fù)性。光纖溫度傳感頭通過試驗(yàn)測(cè)試，將溫度與光功率相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)制成表格，具體見表1 所示，曲線圖見圖4。

通過上述試驗(yàn)表明，傳感頭滿足使用要求，重復(fù)性非常好，加載發(fā)光管與探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路以及信號(hào)處理電路，整體調(diào)試傳感器，觀察溫度與傳感器輸出的電壓值關(guān)系，重復(fù)操作上述試驗(yàn)第二、第三步，具體的溫度與電壓相對(duì)應(yīng)值見表2，曲線圖見圖5。

通過觀察上述兩個(gè)曲線，形狀基本一致，重復(fù)性較好，表明傳感器整體性能滿足要求。將幾個(gè)特殊點(diǎn)電壓值送到單片機(jī)進(jìn)行處理，采用直線插值擬合或者最小二乘法曲線擬合，輸出溫度值。通過實(shí)測(cè)檢驗(yàn)，與標(biāo)準(zhǔn)溫度值誤差最大值為±1°C，基于金屬熱膨脹式的光纖溫度傳感器設(shè)計(jì)是成功的，傳感器整體測(cè)試精度較高。

小結(jié)：

近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。

本期學(xué)習(xí)了《檢測(cè)技術(shù)與儀表》，此學(xué)科無論在理論基礎(chǔ)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)還是在設(shè)計(jì)程序、實(shí)驗(yàn)方法等方面都向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方面發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

在本文中大體介紹了金屬熱膨脹式光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)，利用金屬件的熱膨脹的原理，通過繞制在金屬件上的光纖損耗產(chǎn)生變化。

由于本人所學(xué)的是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，在平時(shí)的學(xué)習(xí)中我們比較多的接觸到電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器等電磁設(shè)備。為了保證這些電磁設(shè)備工作在正常狀態(tài)，我們必須對(duì)它們進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而其中溫度監(jiān)測(cè)是其中之一。就于光纖的抗干擾能力優(yōu)異于其他的傳感器，本人特別介紹了光纖溫度傳感器。光纖溫度傳感器非常適合在電力行業(yè)中使用，但是在網(wǎng)上找了很多資料，大部分都是說可行性研究和論證，真正在實(shí)踐中用到了傳感器實(shí)物非常的少，和網(wǎng)絡(luò)上銷售情況也做了翻了解。光纖溫度傳感器作為一種新型的測(cè)溫技術(shù)發(fā)展十分迅速，應(yīng)用也越來越廣泛。在電力系統(tǒng)中應(yīng)用也得到了較好的發(fā)展，但存在以下幾個(gè)方面的問題：①光纖溫度傳感器在價(jià)格上的劣勢(shì)制約了其在電力系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用，價(jià)格太高使得在某些應(yīng)用場(chǎng)合監(jiān)測(cè)的實(shí)際意義不大。②光纖在某些電氣設(shè)備上的敷設(shè)較為困難，最好能在敷設(shè)方式和敷設(shè)工藝等方面形成業(yè)內(nèi)認(rèn)可的施工指導(dǎo)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。③目前生產(chǎn)光纖溫度傳感器的廠家基本都只具備專業(yè)研發(fā)與生產(chǎn)光纖溫度傳感器的能力，而在電力系統(tǒng)領(lǐng)域涉足較少，缺乏開發(fā)基于光纖溫度傳感器的電力系統(tǒng)故障診斷方面軟件的理論支持與經(jīng)驗(yàn)，難以將系統(tǒng)功能擴(kuò)展。

本文介紹的光纖傳感器的設(shè)計(jì)如果得到應(yīng)用以及在電力應(yīng)用上解決了上述問題，光纖溫度傳感器一定會(huì)在電力行業(yè)得到普及。

心得體會(huì)

首先這次課程設(shè)計(jì)是對(duì)以前學(xué)過的相關(guān)知識(shí)的一次綜合的運(yùn)用，是把課本知識(shí)轉(zhuǎn)化為生活實(shí)際的一次實(shí)踐性的實(shí)驗(yàn)，很大程度上鍛煉了我的思考問題解決問題的能力，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容貼近生活實(shí)際,使我們可以用自己所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問題。這次課程設(shè)計(jì)在很大程度上調(diào)動(dòng)了我的積極性和對(duì)專業(yè)濃厚的興趣。溫故而知新。課程設(shè)計(jì)開始，對(duì)知識(shí)系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請(qǐng)教，終于熟練掌握了基本理論知識(shí)，而且領(lǐng)悟諸多平時(shí)學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識(shí)，學(xué)會(huì)了如何思考的思維方式，找到了設(shè)計(jì)的靈感?？偟膩碚f這次課程設(shè)計(jì)相對(duì)比較順利，但是也遇到了一些問題，遇到問題并不是什么壞事，通過自己的思考以及向老師咨詢，等把問題弄懂了，自己也從中學(xué)到了很多知識(shí)。下面說一下自己的得與失。通過本次設(shè)計(jì)確實(shí)讓自己學(xué)到了不少知識(shí)，首先是對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理有了更深的了解。同時(shí)對(duì)電路設(shè)計(jì)產(chǎn)生了極大的興趣。另外還發(fā)現(xiàn)自己的一些問題。首先，是對(duì)很多學(xué)過的知識(shí)還不夠熟練不能用到實(shí)際問題中。其次，是自己還不夠條理，思考問題不全面等。就本實(shí)驗(yàn)具體問題談一下自己的看法。設(shè)計(jì)雖然比較成功，但是實(shí)驗(yàn)還有很多需要改進(jìn)和擴(kuò)展的地方，我們要求設(shè)計(jì)的是比較簡(jiǎn)單的電路，在實(shí)際生活中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用要遠(yuǎn)比這次的課程設(shè)計(jì)復(fù)雜，在以后的課程中還要繼續(xù)學(xué)習(xí)其他知識(shí)，以解決真正的實(shí)際問題，真正達(dá)到學(xué)以致用。

附 錄

【1】葉楊高.基于金屬熱膨脹式光纖溫度傳感器.傳感器世界.2007.4 【2】孫寶元 楊寶清.傳感器及其應(yīng)用手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社.2004.5 【3】王化祥 張淑英.傳感器原理及其應(yīng)用.天津大學(xué)出版社.2004.7 【4】王俊杰.檢測(cè)技術(shù)與儀表（第2版）.武漢理工大學(xué)出版社.2009.1 【5】張洪潤(rùn) 張亞凡.傳感技術(shù)與應(yīng)用教程.清華大學(xué)出版社。2005.1 【6】李強(qiáng) 王艷松 劉學(xué)民.光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀綜述.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制.2010.1.1第38卷第1期

【7】劉引.光纖傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用.魅力中國(guó).2009.5第77期

第二篇：光纖溫度傳感器 畢業(yè)論文

摘 要

本文從光纖和光纖傳感器以及光纖溫度傳感器的發(fā)展歷程開始詳細(xì)分析國(guó)內(nèi)外主要光纖溫度測(cè)溫方法的原理及特點(diǎn)，比較了不同方法的溫度測(cè)量范圍和性能指標(biāo)以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。通過研究發(fā)現(xiàn)了當(dāng)前的光纖溫度傳感器的種類和特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了光纖溫度傳感器的原理，種類和各自的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)這些傳感器各自特點(diǎn)將各種傳感器應(yīng)用到不同的領(lǐng)域，本文也簡(jiǎn)要分析了各種光纖溫度傳感器的運(yùn)用范圍和領(lǐng)域。

本文還通過圖文并茂的方式比較詳細(xì)地分析了介紹了空調(diào)器的基本結(jié)構(gòu)，工作電氣原理和基本的熱力學(xué)過程。

本文對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和擬采用的研究方案也做出了詳細(xì)地介紹分析。

關(guān)鍵詞：光纖，光纖傳感器，光纖溫度傳感器，運(yùn)用領(lǐng)域，空調(diào)器，空調(diào)器原理

Abstract 引言：

光纖溫度傳感器是一種新型的溫度傳感器．它具有抗電磁干擾、耐高壓、耐腐蝕、防爆防燃、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，其中幾種主要的光纖溫度傳感器：分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器和基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器更有著自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的傳感器相比具有一下優(yōu)點(diǎn):靈敏度高;是無源器件，對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響;光纖耐高壓，耐腐蝕，在易燃、易爆環(huán)境下安全可靠;頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大;幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性;可以與光纖遙測(cè)技術(shù)相配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制;體積小，重量輕等。它將在航空航天、遠(yuǎn)程控制、化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)療、安全保險(xiǎn)、電力工業(yè)等特殊環(huán)境下測(cè)溫有著廣闊的應(yīng)用前景。

在本論文中將詳細(xì)分析當(dāng)前光纖溫度傳感器的主要種類和各自的原理，特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。論文要求：

（1）詳細(xì)分析國(guó)內(nèi)外主要光纖溫度測(cè)溫方法的原理及特點(diǎn)，比較不同方法的溫度測(cè)量范圍和性能指標(biāo)。

（2）掌握空調(diào)器的工作電氣原理和基本的熱力學(xué)過程。畢業(yè)論文綜述：

70年代中期，人們開始意識(shí)到光纖不僅具有傳光特性，且其本身就可以構(gòu)成一種新的直接交換信息的基礎(chǔ)，無需任何中間級(jí)就能把待測(cè)的量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來。1977年，美國(guó)海軍研究所開始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)計(jì)劃，這被認(rèn)為是光纖傳感器問世的日子。從這以后，光纖傳感器在全世界的許多實(shí)驗(yàn)室里出現(xiàn)。從70年代中期到80年代中期近十年的時(shí)間，光纖傳感器己達(dá)近百種，它在國(guó)防軍事部門、科研部門以及制造工業(yè)、能源工業(yè)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和日常消費(fèi)部門都得到實(shí)際應(yīng)用。從目前的情況看，己有一些形成產(chǎn)品投入市場(chǎng)，但大量的是處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比具有一下優(yōu)點(diǎn):靈敏度高;是無源器件，對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響;光纖耐高壓，耐腐蝕，在易燃、易爆環(huán)境 下安全可靠;頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大;幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性;可以與光纖 遙測(cè)技術(shù)相配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制;體積小，重量輕等。

目前，世界各國(guó)都對(duì)光纖傳感器展開了廣泛，深入的研究，幾個(gè)研究工作開展早的國(guó)家情況如下:美國(guó)對(duì)光纖傳感器研究共有六個(gè)方面:這些項(xiàng)目分別是:光纖傳感系統(tǒng);現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng);光纖陀螺;核輻射監(jiān)控;飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控;民用研究計(jì)劃。以上計(jì)劃僅在1983年就投資12-14億美元。美國(guó)從事光纖傳感器研究的有美國(guó)海軍研究所、美國(guó)宇航局、西屋電器公司、斯坦福大學(xué)等28個(gè)主要單位。美國(guó)光纖傳感器開始研制最早，投資最大，己有許多成果申請(qǐng)了專利。

英國(guó)政府特別是貿(mào)易工業(yè)部十分重視光纖傳感器技術(shù)，早在1982年有該部為首成立了英國(guó)光纖傳感器合作協(xié)會(huì)，到1985年為止，共有26個(gè)成員，其中包括中央電器研究所、Delta控制公司、帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司、英國(guó)煤氣公司、1 Taylor儀器公司、標(biāo)準(zhǔn)電信研究所及幾所主要大學(xué)。

德國(guó)的光纖陀螺的研究規(guī)模和水平僅次與美國(guó)居世界第二位，西門子公司在1980年就制成了高壓光纖電流互感器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

日本制定了1979-1986年“光應(yīng)用計(jì)劃控制系統(tǒng)”的七年規(guī)劃，投資達(dá)70億美金。有松下、三菱、東京大學(xué)等24家著名的公司和大學(xué)從事光纖傳感器研究。從1980年7月到1983年6月，申請(qǐng)光纖傳感器的專利464件，涉及11個(gè)領(lǐng)域。主要應(yīng)用于大型工廠，以解決強(qiáng)電磁千擾和易燃、易爆等惡劣環(huán)境中信息測(cè)量、傳輸和生產(chǎn)全過程的控制問題。

我國(guó)光纖傳感器的研究工作于80年代初開始，在“七五”規(guī)劃中提出15 項(xiàng)光纖傳感器項(xiàng)目，其中有光纖放射線探測(cè)儀、光纖溫度傳感器及溫度測(cè)量系統(tǒng)、光纖陀螺、光纖磁場(chǎng)傳感器、光纖電流、電壓傳感器、醫(yī)用光纖傳感器、分析用 傳感器、集成光學(xué)傳感器等。預(yù)計(jì)“七五”期間的研制成果可達(dá)到美、日等國(guó) 80年代初、中期水平。

半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器基本上是80年代興起的，其中以日本的研究最為廣泛。在1981年，Kazuo Kyuma等四人在日本三菱電機(jī)中心實(shí)驗(yàn)室，首次研制成功采用GaA、和Care半導(dǎo)體材料的吸收型光纖溫度傳感器。由于人們對(duì)半導(dǎo)體材料認(rèn)識(shí)的不斷深入，以及半導(dǎo)體制造和加工工藝水平的不斷提高，使人們對(duì)采用半導(dǎo)體材料來制作各種傳感器的前景十分看好。在90年代前后，出現(xiàn)了研究以硅材料作為溫度敏感材料的光纖溫度傳感器。在1988年，Roorkee 大學(xué)R.P.Agarwal等人，采用CIrD(化學(xué)氣象淀積)技術(shù)，在光纖端面上淀積多 晶硅薄膜，試制了硅吸收型光纖溫度傳感器。同年，Isko Kajanto等人采用SOI結(jié)構(gòu)，以光纖反射的方式，制作了單晶硅吸收型溫度傳感器。目前，以GaAs 和CdTe直接帶隙半導(dǎo)體材料的吸收型光纖溫度傳感器，已接近實(shí)用化。

國(guó)內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器的研究起步較晚，興起于90年代后期。主要集中在清華大學(xué)，華中理工大學(xué)，東南大學(xué)等高校。他們對(duì)該種類型的傳感 器結(jié)構(gòu)，特性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和實(shí)踐。但大量的研究只集中在GaAs半導(dǎo)體作為感溫材料的傳感器上，與國(guó)外在該領(lǐng)域的研究水平仍有較大差別。光纖溫度傳感器的特點(diǎn)：

光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比具有很多優(yōu)點(diǎn)：光波不產(chǎn)生電磁干擾，也不怕電磁干擾，易被各種光探測(cè)器件接收．可方便地進(jìn)行光電或電光轉(zhuǎn)換．易與高度發(fā)展的現(xiàn)代電子裝置和計(jì)算機(jī)相匹配．光纖工作頻率寬．動(dòng)態(tài)范圍大，是一種低損耗傳輸線，光纖本身不帶電．體積小質(zhì)量輕，易彎曲，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)光纖溫度傳感技術(shù)的應(yīng)用研究已取得豐富成果．不少光纖溫度傳感器系統(tǒng)已實(shí)用化．成為替代傳統(tǒng)溫度傳感器的商品。所有與溫度相關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象或特性．本質(zhì)上都可以用于溫度測(cè)量．基于此．用于溫度測(cè)量的現(xiàn)有光學(xué) 技術(shù)相當(dāng)豐富。對(duì)于光纖溫度傳感器的研究占到將近所有光纖傳感器研究的20％。光纖溫度傳感器的研究．除對(duì)現(xiàn)有器件進(jìn)行外場(chǎng)驗(yàn)證、完善和提高外，目前有以下幾個(gè)發(fā)展動(dòng)向：大力發(fā)展測(cè)量溫度分布的測(cè)量技術(shù)．即由對(duì)單個(gè)點(diǎn)的溫度測(cè)量到對(duì)光纖沿線上溫度分布．以及大面積表面溫度分布的測(cè)量：開發(fā)包括測(cè)量溫度在內(nèi)的多功能的傳感器：研制大型傳感器陣列．實(shí)現(xiàn)全光學(xué)遙測(cè)。光纖測(cè)溫傳感器是用光纖來測(cè)量溫度的。有兩種方法可實(shí)現(xiàn)。一是利用被測(cè)表面輻射能隨溫度的變化而變化的特點(diǎn)；利用光纖將輻射能量傳輸?shù)綗崦粼?，?jīng)

過轉(zhuǎn)換再變成可供紀(jì)錄和顯示的電信號(hào)。這種方法獨(dú)特之處就是可以遠(yuǎn)距離測(cè)量；另外一種方法是利用光在光導(dǎo)纖維內(nèi)傳輸?shù)南辔浑S溫度參數(shù)的改變而改變的特點(diǎn)，光信號(hào)的相位隨溫度的變化是由于光纖材料的尺寸和折射率都隨溫度改變而引起的。光纖傳感器的基本原理

在光纖中傳輸?shù)膯紊獠捎萌缦滦问降姆匠瘫硎綞=

式中，、頻是光波的振幅：w是角頻率；為初相角。該式包含五個(gè)參數(shù)，即強(qiáng)度率w、波長(zhǎng)、相位（wt+）和偏振態(tài)。光纖傳感器的工作原理就是用被測(cè)量的變化調(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對(duì)已知調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而得到被測(cè)量。當(dāng)被測(cè)物理量作用于光纖傳感頭內(nèi)傳輸?shù)墓獠〞r(shí)，使的強(qiáng)度發(fā)生變化，就稱為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器；當(dāng)作用的結(jié)果使傳輸光的波長(zhǎng)、相位或偏振態(tài)發(fā)生變化時(shí)，就相應(yīng)的稱為波長(zhǎng)、相位或偏振調(diào)制型光纖傳感器。

5.1強(qiáng)度調(diào)制

5.1.1 發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制傳感器的調(diào)制原理

光纖傳感器中發(fā)光強(qiáng)度的調(diào)制的基本原理可簡(jiǎn)述為，以被測(cè)量所引起的發(fā)光強(qiáng)度變化，來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的檢測(cè)和控制。其基本原理如圖所示。光源S發(fā)出的發(fā)光強(qiáng)度為的光柱入傳感頭，在傳感頭內(nèi)，光在被測(cè)物理量的作用下強(qiáng)度發(fā)生變化，即受到了外場(chǎng)的調(diào)制，使得輸出發(fā)光強(qiáng)度產(chǎn)生與被測(cè)量有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的變化。由光電探測(cè)器檢測(cè)出發(fā)光強(qiáng)度的信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理解調(diào)就得到了被測(cè)信號(hào)。

5.1.2 發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的方式 利用光纖微彎效應(yīng)；

利用被測(cè)量改變光纖或者傳感頭對(duì)光波的吸收特性來實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制； 通過與光纖接觸的介質(zhì)折射率的改變來實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制； 在兩根光纖間通過倏逝波的耦合實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制；

利用發(fā)送光纖和接收光纖作相對(duì)橫向或縱向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制，這是當(dāng)被測(cè)物理量引起接收光纖位移時(shí)，改變接收發(fā)光強(qiáng)度，從而達(dá)到發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的目的。這種位移式發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的光纖傳感器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)較為成熟的光纖傳感器。

5.1.3 發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制型傳感器分類

根據(jù)其調(diào)制環(huán)節(jié)在光纖內(nèi)部還是在光纖外部可以分為功能型和非功能型兩種。強(qiáng)度調(diào)制式光纖傳感器的特點(diǎn) 解調(diào)方法簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、運(yùn)行可靠、造價(jià)低。缺點(diǎn)是測(cè)量精度較低，容易產(chǎn)生偏移，需要采取一些自補(bǔ)償措施。

5.2相位調(diào)制 光纖傳感器的基本原理

通過被測(cè)量的作用，使光纖內(nèi)傳播的光相位發(fā)生變化，再利用干涉測(cè)量技術(shù)把相位轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測(cè)出待測(cè)的物理量。如圖5-40其中圖a、b、c分別為邁克爾遜、馬赫-澤得和法布里-珀羅式的全光纖干涉儀結(jié)構(gòu)。

5.3 波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器的基本原理

波長(zhǎng)調(diào)制傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖5-41。光纖溫度傳感器

6.1幾種光纖溫度傳感器的原理和研究現(xiàn)狀

光纖溫度傳感器按其工作原理可分為功能型和傳輸型兩種。功能型光纖溫度傳感器是利用光纖的各種特性f相位、偏振、強(qiáng)度等)隨溫度變換的特點(diǎn)，進(jìn)行溫度測(cè)定。這類傳感器盡管具有”傳”、”感”合一的特點(diǎn)．但也增加了增敏和去敏的困難。傳輸型光纖溫度傳感器的光纖只是起到光信號(hào)傳輸?shù)淖饔茫员荛_測(cè)溫區(qū)域復(fù)雜的環(huán)境．對(duì)待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是靠其他物理性質(zhì)的敏感元件來實(shí)現(xiàn)的。這類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問題．增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，且對(duì)機(jī)械振動(dòng)之類的干擾較敏感．下面介紹幾種主要的光纖溫度傳感器的原理和研究現(xiàn)狀。

6.1.1分布式光纖溫度傳感器

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)是一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的傳感器系統(tǒng)。分布光纖傳感器系統(tǒng)最早是在1981年由英國(guó)南安普敦大學(xué)提出的．1983年英國(guó)的Hartog用液體光纖的拉曼光譜效應(yīng)進(jìn)行了分布式光纖溫度傳感器原理性實(shí)驗(yàn)．1985年英國(guó)的Dakin在實(shí)驗(yàn)

室用氬離子激光器作為光源進(jìn)行了用石英光纖的拉曼光譜效應(yīng)的分布光纖溫度傳感器測(cè)溫實(shí)驗(yàn)．同年Hartog和Dakin分別獨(dú)立地用半導(dǎo)體激光器作為光源，研制了分布光纖溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置：此后。分布光纖溫度傳感器得到了很大的發(fā)展．研究出了多種傳感機(jī)理．有的還使用了特種光纖。分布式光纖溫度傳感器是基于瑞利散射、布里淵散射、喇曼散射三種分布式溫度傳感器。分布式光纖傳感器從最初提出的基于光時(shí)域散射fOTDRl的瑞利散射系統(tǒng)開始．經(jīng)歷了基于0TDR的喇曼散射系統(tǒng)和基于0TDR的布里淵散射系統(tǒng)．使得測(cè)溫精度和范圍大幅提高。光頻域散射fOFDR)的提出也很早，但只有到了近期．伴隨著喇曼散射和布里淵散射研究的深入．使OFDR和它們結(jié)合才顯示出了它的優(yōu)越性?；?TDR和OFDR的分布式溫度光纖傳感器已經(jīng)顯示出了很大的優(yōu)越性．所以基于OTDR0FDR的分布式溫度光纖傳感器仍將是研究的熱點(diǎn)．尤其是基于OFDR的新的分布式光纖傳感器將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。土耳其Gunes Yilmaz研制出10km、溫度分辨率為1℃、空間分辨率為1．22m的分布式光纖溫度傳感器。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)計(jì)量學(xué)院、重慶大學(xué)、浙江大學(xué)等單位根據(jù)應(yīng)用的需要．先后開展了分布式光纖溫度傳感器的研究。中國(guó)計(jì)量學(xué)院1997年研制了一種用于煤礦、隧道溫度自動(dòng)報(bào)警的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)光纖長(zhǎng)為2km．測(cè)溫范圍為一50℃～150℃．測(cè)溫精度為2℃．溫度分辨率為O．1℃：2005年設(shè)計(jì)制造出31km遠(yuǎn)程分布式光纖溫度傳感器．測(cè)溫范圍0℃～100℃，溫度測(cè)量不確定度為2℃．溫度分辨率為0．1℃，測(cè)量時(shí)間為432s．空間分辨率為4m。6.1.2 光纖光柵溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感技術(shù)主要研究Bmgg光纖傳感技術(shù)。根據(jù)Bragg光纖光柵反射波長(zhǎng)會(huì)隨溫度的變化而產(chǎn)生”波長(zhǎng)移位”的原理制成光纖光柵溫度傳感器。1978年．加拿大渥太華通信研究中心的K．O．HiU等人首先發(fā)現(xiàn)摻鍺石英光纖的光敏效應(yīng)．采用注入法制成世界上第一只光纖光柵(FBG)，1989年，Morev首次報(bào)導(dǎo)將其用于傳感。英國(guó)T．A1lsoD利用橢圓纖芯突變型光纖研制出溫度分辨率為O．9℃、曲率分辨率為0．05的長(zhǎng)周期光纖光柵曲率溫度傳感器。意大利A．Iadicicco利用非均勻的稀疏布拉格光纖光柵fThFBGsl同時(shí)測(cè)量折射率和溫度．該傳感器的溫度分辨率為0．1℃．在折射率1．

45、1．33附近的折射率分辨率分別為10-s、104。中科院上海光機(jī)所利用光纖光柵的金屬槽封裝技術(shù)將光纖光柵溫度傳感器的靈敏度提高到O．02℃：哈爾濱工業(yè)大學(xué)把光纖光柵粘貼在金屬半管上．使其分辨率達(dá)到0．04℃：黑龍江大學(xué)光纖技術(shù)研究所提出了一種光纖光柵fFBGl的Ti合金片封裝工藝，使溫度靈敏度達(dá)到0．05℃。6.1.3 光纖熒光溫度傳感器

光纖熒光溫度傳感器是目前研究比較活躍的新型溫度傳感器。熒光測(cè)溫的工作機(jī)理是建立在光致發(fā)光這一基本物理現(xiàn)象上。所謂光致發(fā)光是一種光發(fā)射現(xiàn)象．就是當(dāng)材料由于受紫外、可見光或紅外區(qū)的光激發(fā)．所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。出射的熒光參數(shù)與溫度有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系．通過檢測(cè)其熒光強(qiáng)度或熒光壽命來得到所需的溫度的。強(qiáng)度型熒光光纖傳感器受光纖的微彎曲、耦合、散射、背反射影響，造成強(qiáng)度擾動(dòng)，很難達(dá)到高精度：熒光壽命型傳感器可以避免上述缺點(diǎn)，因此是采用的主要模式．熒光壽命的測(cè)量是測(cè)溫系統(tǒng)的關(guān)鍵。美國(guó)密西西比州立大學(xué)用一種商用的環(huán)氧膠做溫度指示f含有多環(huán)芳烴化合物：PAHs)。PAHs在用紫外光激發(fā)時(shí)發(fā)熒光．熒光的強(qiáng)度隨環(huán)氧膠周圍溫度的升高而減?。搨鞲衅骺杀O(jiān)測(cè)20℃～100℃范圍內(nèi)的溫度。日本東洋大學(xué)根據(jù)Tb：Si0，和Tb：YAG的光致發(fā)光(PL)譜與溫度有關(guān)．將其制成光纖溫度傳感器。在300～1200K的溫度下．Tb：Si0，5 的PL峰值在540nm時(shí)的光強(qiáng)隨溫度的升高單調(diào)減?。甌b：YAG晶體的PL譜的形狀隨溫度變化。韓國(guó)漢城大學(xué)發(fā)現(xiàn)lOcm長(zhǎng)的Ybn、E一雙摻雜光纖在915nm處．兩熒光強(qiáng)度的比值在20℃～300℃間與溫度成指數(shù)關(guān)系．這種雙摻雜系統(tǒng)對(duì)于測(cè)量苛刻環(huán)境的溫度非常有用。清華大學(xué)電子工程系利用半導(dǎo)體GaAs材料對(duì)光的吸收隨溫度變化的原理。研制出測(cè)溫范圍：O℃～150℃；分辨率：0．5℃的光纖溫度傳感器。燕山大學(xué)設(shè)計(jì)了一種利用熒光波分和時(shí)分多路傳輸技術(shù)．通過檢測(cè)紅寶石晶體的熒光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的系統(tǒng)．該系統(tǒng)的測(cè)溫范圍：30℃～160℃：分辨率：0．5℃。海南大學(xué)用激光加熱基座法生長(zhǎng)出端部摻Cr的藍(lán)寶石熒光光纖傳感頭．該傳感器的測(cè)溫范圍：20℃～450℃：分辨率：1℃。中北大學(xué)用一種鍍有陶瓷薄膜的藍(lán)寶石光纖作為傳感器的瞬態(tài)高溫測(cè)試系統(tǒng)．該系統(tǒng)的測(cè)溫范圍：1200℃～2000℃。分辨率：1℃。6.1.4 干涉型光纖溫度傳感器

干涉型光纖溫度傳感器是一種相位調(diào)制型光纖傳感器。它是利用溫度改變Mach—Zehnder干涉儀、Fabry—Perot干涉儀、Sagnac干涉儀等一些干涉儀的干涉條紋來外界測(cè)量溫度。英國(guó)的Samer K．Abi Kaed Bev用長(zhǎng)周期光纖光柵做成Mach—Zehnder干涉型光纖溫度傳感器．其溫度分辨率為O．7℃。燕山大學(xué)研制出基于白光干涉的Fabrv—Perot光纖溫度傳感器．其測(cè)溫范圍為一40℃～100℃．分辨率為0．01℃。哈爾濱工程大學(xué)研制出數(shù)字式Mach—Zehnder干涉型光纖傳感器．其測(cè)溫范圍為35cC～80℃，壓力、溫度、位移分辨率分別為0．03kPa、0．07℃、2．5斗m。

干涉式光纖溫度傳感器工作示意圖

6.1.5 基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器

基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器利用硅纖芯和塑料包層折射率差隨溫度變化引起光纖孔徑的變化、光纖的突然彎曲引起的局部孔徑的變化的原理測(cè)量溫度。烏克蘭采用EBOC伍ngIish—Bickford Optics Com—pany)生產(chǎn)的多模階躍塑料包層硅纖芯光纖HCN～H，已做出基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器．其測(cè)溫范圍一30℃～70℃．靈敏度達(dá)到O．5℃。法國(guó)研究出測(cè)溫范圍一20℃～60℃。靈敏度為0。2℃的基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器。國(guó)內(nèi)主要是對(duì)光纖的彎曲損耗與入射波長(zhǎng)、彎曲半徑、彎曲角度、彎曲長(zhǎng)度、光纖參量和溫度等的關(guān)系做了一些研究。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。

6.2 幾種光纖溫度傳感器的特點(diǎn)及各自的研究方向

分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器和基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器分別具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和一定的不足，因此它們的研究方向不同。6.2.1 分布式光纖溫傳感器

分布式光纖溫傳感器具有其他溫度傳感器不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。它能夠連續(xù)測(cè)量光纖沿線所在處的溫度．測(cè)量距離在幾千米范圍．空間定位精度達(dá)到米的數(shù)量級(jí)。能夠進(jìn)行不問斷的自動(dòng)測(cè)量．特別適用于需要大范圍多點(diǎn)測(cè)量的直用場(chǎng)合。目前對(duì)分布式光纖溫度傳感器研究的重點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)單根光纖上多個(gè)物理參數(shù)或化學(xué)參數(shù)的同時(shí)測(cè)量：提高信號(hào)接收和處理系統(tǒng)的檢測(cè)能力．提高系統(tǒng)的空間分辨率和測(cè)量不確定度：提高測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍．減少測(cè)量時(shí)間：基于二維或多維的分布式光纖溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)。6.2.2 光纖光柵溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感器除了具有普通光纖溫度傳感器的許多優(yōu)點(diǎn)外．還有一些明顯優(yōu)于其它光纖溫度傳感器的方面。其中最重要的就是它的傳感信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制。這一傳感機(jī)制的好處在于：測(cè)量信號(hào)不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測(cè)器老化等因素的影響：避免了一般干涉型傳感器中相位測(cè)量的不清晰和對(duì)固有參考點(diǎn)的需要：能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個(gè)布喇格光柵進(jìn)行分布式測(cè)量：很容易埋人材料中對(duì)其內(nèi)部的溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍地測(cè)量。盡管光纖光柵溫度傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)．但在應(yīng)用中還需考慮很多因素：波長(zhǎng)微小位移的檢測(cè)；寬光譜、高功率光源的獲得；光檢測(cè)器波長(zhǎng)分辨率的提高；交叉敏感的消除；光纖光柵的封裝；光纖光柵的可靠性；光纖光柵的壽命。6.2.3 光纖熒光溫度傳感器

光纖熒光溫度傳感器于其它光纖溫度傳感器相比有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：由于熒光壽命與溫度的關(guān)系從本質(zhì)上講是內(nèi)在的．與光的強(qiáng)度無關(guān)．這樣就可以制成自較準(zhǔn)的光纖溫度傳感器．而一般的基于光強(qiáng)度檢測(cè)的光纖溫度傳感器f如輻射型1則因?yàn)橄到y(tǒng)的光傳輸特性往往與傳輸光纖和光纖耦合器等相關(guān)而需經(jīng)常校準(zhǔn)：測(cè)量范圍廣，特別在高溫情況下多用光纖熒光溫度傳感器。目前國(guó)外的研究主要圍繞著熒光源的選擇．主要為下面幾個(gè)方面：藍(lán)寶石和紅寶石發(fā)光、稀土發(fā)光及半導(dǎo)體吸收。

6.2.4 干涉型光纖溫度傳感器

干涉型光纖溫度傳感器的溫度分辨率高：動(dòng)態(tài)響應(yīng)寬：結(jié)構(gòu)靈巧。研究干涉型光纖溫度傳感器的主要工作放在減小噪聲干擾和信號(hào)解調(diào)上。6.2.5 基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器

基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、測(cè)量方便不需要解調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。但是它還存在著很多的不足：測(cè)量精度低；由于它是強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器，光源的穩(wěn)定性對(duì)其影響很大；使用壽命短等缺點(diǎn)。在今后的研究中主要從光纖的選擇、測(cè)量條件的提高等方面開展工作。光纖溫度傳感器的應(yīng)用

光纖溫度傳感自問世以來．主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)、建筑、化工、航空航天、醫(yī)療以至海洋開發(fā)等領(lǐng)域，并已取得了大量可靠的應(yīng)用實(shí)績(jī)。7.1.1 光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)有著重要的應(yīng)用 電力電纜的表面溫度及電纜密集區(qū)域的溫度監(jiān)測(cè)監(jiān)控；高壓配電裝置內(nèi)易發(fā)熱部位的監(jiān)測(cè)；發(fā)電廠、變電站的環(huán)境溫度檢測(cè)及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)；各種大、中型發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)的溫度分布測(cè)量、熱動(dòng)保護(hù)以及故障診斷；火力發(fā)電廠的加熱系統(tǒng)、蒸汽管道、輸油管

道的溫度和故障點(diǎn)檢測(cè)：地?zé)犭娬竞蛻魞?nèi)封閉式變電站的設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)等等。7.1.2 光纖溫度傳感應(yīng)用于建筑、橋梁上

光纖光柵溫度傳感器很容易埋人材料中對(duì)其內(nèi)部的溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍地測(cè)量．因而被廣泛的應(yīng)用于建筑、橋梁上。美國(guó)、英國(guó)、日本、加拿大和德國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家早就開展了橋梁安全監(jiān)測(cè)的研究．并在主要大橋上都安裝了橋梁安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。用來監(jiān)測(cè)橋梁的應(yīng)變、溫度、加速度、位移等關(guān)鍵安全指標(biāo)。1999年夏，美國(guó)新墨西哥Las Cmces lO號(hào)州際高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上安裝了120個(gè)光纖光柵溫度傳感器．創(chuàng)造了單座橋梁上使用該類傳感器最多的記錄。

7.1.3 光纖溫度傳感在航空航天業(yè)的應(yīng)用

航空航天業(yè)是一個(gè)使用傳感器密集的地方．一架飛行器為了監(jiān)測(cè)壓力、溫度、振動(dòng)、燃料液位、起落架狀態(tài)、機(jī)翼和方向舵的位置等，所需要使用的傳感器超過100個(gè)．因此傳感器的尺寸和重量變得非常重要。光纖傳感器從尺寸小和重量輕的優(yōu)點(diǎn)來講．幾乎沒有其他傳感器可以與之相比。7.1.4 傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常有意義的 光纖光柵傳感器是現(xiàn)今能夠做到最小的傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式對(duì)人體組織功能進(jìn)行內(nèi)部測(cè)量。提供有關(guān)溫度、壓力和聲波場(chǎng)的精確局部信息。光纖光柵傳感器對(duì)人體組織的崗廠陰，等：光纖溫度傳感器的研究和應(yīng)州損害非常小．足以避免對(duì)正常醫(yī)療過程的干擾。7.1.5 光纖光柵傳感器永久井下測(cè)量的應(yīng)用

因其抗電磁干擾、耐高溫、長(zhǎng)期穩(wěn)定并且抗高輻射非常適合用于井下傳感．挪威的Optoplan正在開發(fā)用于永久井下測(cè)量的光纖光柵溫度和壓力傳感器。空調(diào)器的工作電氣原理和基本的熱力學(xué)過程

8.1 空調(diào)器基本結(jié)構(gòu)

是由制冷（熱)、空氣循環(huán)、電氣控制三大系統(tǒng)組成。制冷系統(tǒng): 用于制冷劑循環(huán)及氣/ 液態(tài)變換。制冷劑系統(tǒng)的工作與否受控于電氣系統(tǒng)。空氣循環(huán)系統(tǒng): 用于驅(qū)動(dòng)空氣進(jìn)行循環(huán)，過濾室內(nèi)空氣，以及對(duì)制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)器、冷凝器提供空氣熱交換條件，調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度等。電氣控制系統(tǒng): 用于控制冷系統(tǒng)與空氣循環(huán)系統(tǒng)的工作與否。

8.1.1 制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過程制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

由壓縮機(jī)、冷凝器、過濾器、毛細(xì)管、蒸發(fā)器等首尾連接組成。其中，制冷劑的循環(huán)流通由壓縮機(jī)負(fù)責(zé)，制冷劑氣態(tài)轉(zhuǎn)換由蒸發(fā)器負(fù)責(zé)，制冷劑液態(tài)轉(zhuǎn)換由冷凝器負(fù)責(zé)，制冷劑壓力變換由壓縮機(jī)和毛細(xì)管負(fù)責(zé)，過濾器負(fù)責(zé)濾除制冷劑中微量臟物。對(duì)于制冷而言，其工

作過程以圖1 所示窗式空調(diào)器為例說明如下：當(dāng)接通電源后，壓縮機(jī)及風(fēng)扇開始運(yùn)轉(zhuǎn)，蒸發(fā)器內(nèi)的低壓氣態(tài)制冷劑，通過管路被壓縮機(jī)吸入，并壓縮為高壓、高溫氣態(tài)，再經(jīng)過排氣管排入冷凝器對(duì)室外空氣放熱自身降溫變成液態(tài)。液態(tài)制冷劑經(jīng)過濾器、毛細(xì)管節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，由蒸發(fā)器蒸發(fā)為氣態(tài)，并在蒸發(fā)過程中自身吸熱對(duì)室內(nèi)空氣降溫，冷卻后的空氣由離心風(fēng)扇吹向室內(nèi)，室內(nèi)的空氣又由風(fēng)扇的吸氣端吸回。這樣，空氣不斷循環(huán)，周而復(fù)始，室內(nèi)的空氣就得到了降溫并維持在一定溫度內(nèi)，實(shí)現(xiàn)制冷目的。

8.1.2 制熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過程制熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

對(duì)于制熱而言，其工作過程可用圖2 所示的冷暖空調(diào)制冷（熱）系統(tǒng)來說明。它是

在單冷空調(diào)制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了單換閥和輔助毛細(xì)管。制熱時(shí)除制冷劑走向（箭頭）與制冷時(shí)相反外，且室外側(cè)熱交換器作蒸發(fā)器用于吸熱，室內(nèi)側(cè)熱交換器作為冷凝器用于放熱。

8.1.3 制冷（熱）系統(tǒng)各器件的功能與作用 現(xiàn)說明如下：

(1)壓縮機(jī): 壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，產(chǎn)生吸排氣功能，并由低壓管口（粗）吸氣、高壓管口（細(xì)）排氣，推動(dòng)制冷劑在制冷管路中循環(huán)流通。同時(shí)對(duì)低壓管吸入的制冷劑進(jìn)行壓縮變?yōu)楦邏焊邷睾笥筛邏汗芸谂懦觥?/p>

(2)冷凝器: 對(duì)壓縮機(jī)排出的高壓、高溫氣態(tài)進(jìn)行制冷，在流經(jīng)冷凝器的過程中，逐步散熱降溫而冷凝為液態(tài)／中溫／高壓制冷劑，實(shí)現(xiàn)制冷劑從氣態(tài)到 液態(tài)的轉(zhuǎn)換，以把制冷劑攜帶的熱量散發(fā)到空氣中，實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。

(3)毛細(xì)管;是一根直徑4 mm、長(zhǎng)l m左右的細(xì)銅管，接于過濾器（或冷暖機(jī)單向閥）與蒸發(fā)器之間，對(duì)冷凝器流出的中溫高壓液態(tài)制冷劑進(jìn)行節(jié)流降壓，使蒸發(fā)器中形成低壓環(huán)境。

(4)過濾器: 濾除制冷劑中微量臟物，保證制冷劑在制冷管路中的循環(huán)流通。(5)蒸發(fā)器: 經(jīng)毛細(xì)管降壓節(jié)流輸出的制冷劑，在流經(jīng)經(jīng)蒸發(fā)器管路過程中逐步沸騰蒸發(fā)為氣體，并在蒸發(fā)過程吸收外界空氣的熱量，使周圍空氣降溫。

8.2 空氣循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過程

圖3 是窗機(jī)空氣循環(huán)系統(tǒng)示意圖。它由室內(nèi)側(cè)、室外側(cè)空氣循環(huán)兩部位組成。兩者的核心器件均是多繞組風(fēng)扇電機(jī)。風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速受控于功能開關(guān)（又稱主令開關(guān)），風(fēng)速設(shè)置不同，功能開關(guān)對(duì)風(fēng)扇電機(jī)調(diào)速繞組抽頭供電不同，調(diào)速繞組線圈匝數(shù)不同，它與運(yùn)轉(zhuǎn)繞組串聯(lián)后的匝數(shù)不同，從而使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不同。

8.3 電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過程

電氣控制系統(tǒng)的核心器件是壓縮機(jī)和風(fēng)扇電機(jī)，如圖4 所示。這兩個(gè)器件的CR 運(yùn)行繞組在得到交流220 V 電源后，CS 啟動(dòng)繞組瞬間有啟動(dòng)電流流過就開始運(yùn)轉(zhuǎn)，把電能變換為機(jī)械能。壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械能帶動(dòng)制冷系統(tǒng)工作以實(shí)施制冷（熱）；風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械能，帶動(dòng)扇葉旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)空氣循環(huán)。

(1)壓縮機(jī)工作控制

這里，以圖4(a)所示的窗機(jī)置于高冷狀態(tài)為例說明。由圖可見，這時(shí)功能開關(guān)1 端

分別與4 端、8 端接通，對(duì)壓縮機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)提供供電回路。其中壓縮機(jī)供電回路如下：交流220 V 電源插頭L 端→功能開關(guān)1端、8 端→溫控器開關(guān)的C 端、L 端→F1 過載保護(hù)器的1 端、2 端→壓縮機(jī)的C 端。此時(shí)分為兩路：一路經(jīng)R 端→C 啟動(dòng)電容的1 端（運(yùn)轉(zhuǎn)電流）；另一路徑S 端子→C 啟動(dòng)電容2 端、1 端（啟

動(dòng)電流），最后至電源插頭的N 端。這樣，在壓縮機(jī)接通電源后，就啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，空調(diào)開始制冷。當(dāng)制冷達(dá)到設(shè)置溫度時(shí)，溫控器斷開壓縮機(jī)供電電路，壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，終止制冷。當(dāng)室內(nèi)溫度上升到高于設(shè)置溫度時(shí)，溫控器再次自動(dòng)接通壓縮機(jī)供給回路，壓縮機(jī)再次運(yùn)轉(zhuǎn)制冷，以后重復(fù)上述過程。至于過載保護(hù)器，它緊貼在壓縮機(jī)外殼上以感知壓縮機(jī)溫度。在壓縮機(jī)啟動(dòng)或運(yùn)轉(zhuǎn)中，電流過大或壓縮機(jī)過熱時(shí)過載保護(hù)器會(huì)呈現(xiàn)高阻（相當(dāng)于斷開），從而切斷壓縮機(jī)供電回路，達(dá)到保護(hù)壓縮機(jī)的目的。畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和擬采用的研究方案

9.1 光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)

根據(jù)光纖彎曲損耗的理論分析，光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)由三大部分組成：溫度敏感頭、傳輸與信號(hào)處理部分，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。9.1.1 溫度敏感頭

溫度敏感頭是溫度傳感器中最主要的部件，是將所測(cè)量溫度轉(zhuǎn)換成直接能夠測(cè)量的參數(shù)，在這里，是轉(zhuǎn)換成光纖的損耗大小，同等狀態(tài)下，損耗大，探測(cè)器接收到的光功率小，反之，接收到功率就大。傳感頭主要由多模光纖與金屬構(gòu)件組成，如圖3 所示，將光纖施加一定的張力后直接加載在多邊形金屬構(gòu)件上，固定好后將光纖兩端頭引出，在引出光纖的兩端制作連接器，外加光纖保護(hù)措施，傳感頭主要工序就已經(jīng)完成了。金屬零件隨溫度高低不同產(chǎn)生形變也不一樣，加載在 13 零件上光纖彎曲損耗大小隨之改變金屬件受到溫度越高，形變?cè)酱螅诠庠摧敵龉夤β史€(wěn)定情況下，光纖彎曲損耗增加時(shí)，探測(cè)器接收到的光功率就會(huì)減小，反之，接收到的光功率增大。當(dāng)傳感頭處的溫度場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，通過探測(cè)器將接收到的不同光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)一步處理、計(jì)算，輸出外界的溫度值大小。金屬零件在熱變形時(shí)，其變形量不僅與零件尺寸、組成該形體的材料線膨脹系數(shù)α、環(huán)境溫度t 有關(guān)，而且與形體結(jié)構(gòu)因子(取決于幾何參數(shù))有關(guān)，計(jì)算比較復(fù)雜，在這里采用傳統(tǒng)的公式模擬來計(jì)算：

Lt=L[1+α(t-20°C)](5)式中，Lt—溫度t 時(shí)的尺寸；L—20℃時(shí)的尺寸；α—線膨脹系數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式比較復(fù)雜，可選用平均線膨脹系數(shù)，經(jīng)過查表可知。為了提高傳感器的靈敏度，溫度敏感頭金屬材料需選用膨脹系數(shù)較大的，且膨脹系數(shù)在整個(gè)溫度測(cè)量區(qū)間要較穩(wěn)定，有較好重復(fù)性；溫度敏感頭的結(jié)構(gòu)形狀也是要考慮的另一個(gè)因素，不同的形狀，對(duì)靈敏度影響很大。要提高傳感頭對(duì)溫度的響應(yīng)時(shí)間，需要選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料，比熱越小越好，在溫度突變時(shí)，能快速響應(yīng)。經(jīng)過課題組反復(fù)計(jì)算與試驗(yàn)，選用成本較低、加工容易、導(dǎo)熱較快，并且滿足使用范圍的金屬材料鋁。通過試驗(yàn)，傳感器在-40°C～＋80°C溫度范圍內(nèi)均可精確工作。9.1.2 傳輸部分

光纖在這里不僅要作為轉(zhuǎn)換器件使用，同時(shí)也作為光信號(hào)傳輸載體，選用對(duì)彎曲損耗更敏感的多模光纖，一般地采用62.5/125μm 標(biāo)準(zhǔn)的多模光纖。由于加載光纖時(shí)要施加一定的張力控制，使得光纖纏繞在金屬零件上，光纖本身就比較容易損壞，敏感頭處光纖長(zhǎng)時(shí)間受到一定內(nèi)應(yīng)力作用，必須對(duì)光纖的涂層進(jìn)行加固耐磨處理，增加傳感器使用的可靠性。9.1.3 信號(hào)處理部分信號(hào)處理部分

主要由發(fā)光管、探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)電路與數(shù)字電路處理兩部分組成，發(fā)光管、探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)已經(jīng)非常成熟。數(shù)字電路處理主要使用價(jià)廉物美的單片機(jī)，CPU使用美國(guó)ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89C52 單片機(jī)，是一塊具有低電壓、高性能CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和256bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），全部采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS－51 指令系統(tǒng)及8052 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8 位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。A/D 轉(zhuǎn)換采用AD 公司生產(chǎn)的12 位D574A 芯片，轉(zhuǎn)換時(shí)間位25μs，數(shù)字位數(shù)可設(shè)定為12 位，也可設(shè)為8 位，內(nèi)部集成有轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、參考電壓和三態(tài)輸出鎖存，可以與微機(jī)直接接口。為了方便在現(xiàn)場(chǎng)使用，光纖溫度傳感器擴(kuò)展了LCD 顯示接口，同時(shí)還擴(kuò)展了一個(gè)RS-232 通信口，用于同上位機(jī)進(jìn)行通信，將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，進(jìn)一步分析處理。整個(gè)監(jiān)控程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要的功能模塊有：系統(tǒng)初始化，A/D 采樣周期設(shè)定，數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)處理，串行通信，中斷保護(hù)與處理，顯示與鍵盤掃描程序等。程序采用單片機(jī)匯編語言來編寫，使用廣泛、運(yùn)算的速度快等特點(diǎn)，有效的利用單片機(jī)上有限的RAM 空間，其中，由于溫度的變化引起光強(qiáng)的變化不是線性的，因此我們采用查表法對(duì)其測(cè)量值進(jìn)行線性補(bǔ)償。

9.2 試驗(yàn)檢驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

已經(jīng)制作好的溫度敏感頭通過試驗(yàn)測(cè)試。第一步，在溫度敏感頭的一端光纖連接器上加載穩(wěn)定的短波長(zhǎng)的光源，另一端接

相匹配的光功率計(jì)，將溫度敏感頭置入恒溫槽中； 第二步，設(shè)置恒溫槽溫度，觀察光功率計(jì)值的變化情況，要滿足在測(cè)量的整個(gè)工作區(qū)間光功率都有變化；

第三步，定點(diǎn)測(cè)量，設(shè)定幾個(gè)或更多溫度點(diǎn)，記錄下，溫度與光功率對(duì)應(yīng)值，反復(fù)多次試驗(yàn)，觀察溫度敏感頭的重復(fù)性。光纖溫度傳感頭通過試驗(yàn)測(cè)試，將溫度與光功率相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)制成表格，具體見表1 所示，曲線圖見圖4。

通過上述試驗(yàn)表明，傳感頭滿足使用要求，重復(fù)性非常好，加載發(fā)光管與探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路以及信號(hào)處理電路，整體調(diào)試傳感器，觀察溫度與傳感器輸出的電壓值關(guān)系，重復(fù)操作上述試驗(yàn)第二、第三步，具體的溫度與電壓相對(duì)應(yīng)值見表2，曲線圖見圖5。

通過觀察上述兩個(gè)曲線，形狀基本一致，重復(fù)性較好，表明傳感器整體性能滿足要求。將幾個(gè)特殊點(diǎn)電壓值送到單片機(jī)進(jìn)行處理，采用直線插值擬合或者最小二乘法曲線擬合，輸出溫度值。通過實(shí)測(cè)檢驗(yàn)，與標(biāo)準(zhǔn)溫度值誤差最大值為±1°C，基于金屬熱膨脹式的光纖溫度傳感器設(shè)計(jì)是成功的，傳感器整體測(cè)試精度較高。

9.3 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)原理如圖1 所示,采用可見光將光束直接射入2根經(jīng)端面處理且并排放置的光纖中,同時(shí)為使2 根光纖輸出的光強(qiáng)近似相等且最大,采用2 個(gè)不同焦距的透鏡來增強(qiáng)光的耦合程度。根據(jù)馬赫2曾德干涉原理,在出口處2 路光纖并排緊密放置,發(fā)生干涉。隨后由CCD 傳感器接收,并 在監(jiān)視器上觀測(cè)溫度變化時(shí)條紋的變化規(guī)律。一方面通過溫度標(biāo)定得到溫度與條紋數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 另一方面使用MATLAB 對(duì)采集到的干涉圖像進(jìn)行處理,通過程序自動(dòng)判別條紋數(shù)。從而得到溫度的變化值,實(shí)現(xiàn)光纖溫度傳感測(cè)量。

馬赫2澤德干涉型光纖溫度傳感器裝置

9.3.1 實(shí)現(xiàn)方法與現(xiàn)象(1)平臺(tái)的搭建

為了得到較好的效果,實(shí)現(xiàn)中應(yīng)注意以下問題: ①耦合問題:在光纖傳感系統(tǒng)中,各部件采用耦合效率較高的凸透鏡耦合,如圖2 所示。將激光器放在凸透鏡的焦點(diǎn)上,使其為平行光,然后再用另一個(gè)凸透鏡將平行光聚集到光纖端面上。整個(gè)耦合系統(tǒng)調(diào)整組裝較容易,使用方便。

圖2 光路耦合示意圖

②光路準(zhǔn)直:搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)要注意使整個(gè)光路平行于平臺(tái),這就需要利用光屏十字法來校準(zhǔn)光路。首先確定激光束與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)平行;其次在光路上分別加上透鏡,調(diào)整光具座使透鏡前后的光斑落在十字的中心位置。并且依據(jù)透鏡焦距,使光纖的端面盡量位于透鏡的焦點(diǎn)上。如 圖3 所示。

圖3 光路準(zhǔn)直示意圖

(2)產(chǎn)生的現(xiàn)象

根據(jù)前面論述的方案,通過光路調(diào)整等一系列過程,得到干涉圖像如圖4 所示。通過使光纖的感溫部分受熱,可以在監(jiān)視器上觀察到條紋的變化。當(dāng)溫度升高時(shí),條紋幾近勻速地向右移動(dòng);當(dāng)溫度降低時(shí),條紋向相反的方向移動(dòng)。這樣的變化較為規(guī)律,但是對(duì)于溫度檢測(cè)電路來說,要求溫度變化可測(cè),從而得到定量的關(guān)系;對(duì)于圖像檢測(cè)而言,條紋要盡量清晰,明暗對(duì)比強(qiáng)烈,才能在圖像處理時(shí)減少不必

要的誤差。

圖4 干涉條紋圖像

9.3.2 信號(hào)檢測(cè)及處理 1 溫度標(biāo)定

(1)方案: 為使感溫部分的光纖均勻受熱,選擇2 個(gè)5 cm的薄銅片將光纖夾入其中。使用電烙鐵為其加熱,使其溫度變化范圍加大,條紋移動(dòng)明顯。對(duì)于其他不感溫光纖,將其固定在絕熱平臺(tái)上,減小熱源的影響。

(2)電路設(shè)計(jì):本文使用熱敏電阻標(biāo)定溫度與干涉條紋數(shù)之間關(guān)系,由于熱敏電阻隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律,即其非線性是十分嚴(yán)重的。當(dāng)進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí),應(yīng)考慮將其進(jìn)行線性化處理。測(cè)溫電路如圖5 所示。

圖5 測(cè)溫電路

本系統(tǒng)中所用的熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)。其特性可

以表示為:Rt = Rt0 exp B1T-1T0(1)式中: Rt、Rt0分別為溫度T 和T0 時(shí)的電阻值。根據(jù)式(1)以及壓阻變換關(guān)系可以得到下面這個(gè)最終的根據(jù)電壓的變化從而測(cè)得溫度變化的表達(dá)式:1T=1BlnUtUt0+1T0(2)(3)數(shù)據(jù)處理

在測(cè)量過程中,為找到合適的電壓測(cè)量點(diǎn),選擇時(shí)間為參考因素,以60 s 為一個(gè)階段,測(cè)量一次熱敏電阻兩端電壓,記錄電壓值,并根據(jù)公式得對(duì)應(yīng)的溫度,求得Δt。同時(shí)記錄在這些點(diǎn)間的條紋移動(dòng)數(shù)量,記為Δn。根據(jù)Δt 和Δn 可得到溫度與條紋之間的函數(shù)關(guān)系。(4)結(jié)果分析

設(shè)條紋變化數(shù)為Δy ,溫度變化數(shù)為Δx ,則根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到這樣一個(gè)近似線性的函數(shù)關(guān)系式:Δy = 8.30Δx。即溫度升高1 ℃,條紋移動(dòng)8.30 個(gè)。如果標(biāo)定起始溫度,根據(jù)這一關(guān)系,即可得到變化后的溫度值。9.3.3 干涉條紋圖像采集與處理

采用MVPCI 專業(yè)圖像采集卡采集干涉條紋圖像,采集程序如圖6 所示。并對(duì)圖像做如下處理(見圖7): 對(duì)CCD 采集下來的圖像(見7(a))需調(diào)用imfilter 函數(shù)進(jìn)行圖像濾波(濾波結(jié)果見圖7(b))。并使用閾值操作將圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像(見圖7(c)),從而很好地將對(duì)象從背景中分離出來。通常溫度的判斷基于處理后的條紋圖像,因此需采用邊緣檢測(cè)來提取圖像的特征。在MATLAB 中使用專門的邊緣檢測(cè)edge 函數(shù),調(diào)用Sobel 算子進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果如圖7(d)所示。

采集流程圖

圖7 干涉條紋圖像采集與處理

9.3.4 條紋記數(shù)程序設(shè)計(jì)

(1)設(shè)計(jì)思路:根據(jù)邊緣檢測(cè)后條紋的圖像質(zhì)量,提取圖像質(zhì)量較好的橫坐標(biāo)為80 的一行元素的像素值,對(duì)其進(jìn)行掃描,得到像素值為1 的位置,即條紋邊緣的位置;由于邊緣提取得到的條紋是原來?xiàng)l紋的輪廓,所以2 個(gè)邊緣構(gòu)成一個(gè)亮或暗條紋。因此需要將提取出來的邊緣位置與原圖像進(jìn)行對(duì)比,從而對(duì)條紋精確定位;判定離標(biāo)定位置最近的亮條紋的分布情況,找到條紋移動(dòng)規(guī)律;計(jì)算條紋移動(dòng)周期,借鑒光學(xué)測(cè)量中的相位展開原理,將圖像變換為近似線性的曲線,從而得到條紋移動(dòng)過總的像素值,除以周期,即得條紋移動(dòng)個(gè)數(shù)。程序模塊流程圖如圖8 所示。

(2)結(jié)果分析：通過上面的程序計(jì)算,得到距離標(biāo)志位32 最近的亮條紋位置R 的變化情況(見圖9)?？煽闯? R 的值是有規(guī)律地在變化,表明R 存在周期性。通過程序中得到的r(條紋邊緣像素)計(jì)算周期,即T = 22。根據(jù)相位展開的相關(guān)原

圖8 條紋記數(shù)程序流程圖

理,把像素值小于32 ,且與其前相鄰一個(gè)像素的差大于某一值時(shí),將其加上一個(gè)周期,轉(zhuǎn)換為類似線性的函數(shù),如圖10 所示。由圖(10)可以得到移動(dòng)條紋總的像素值M = 820 ,除以展開周期T = 22 , 即可以判別移動(dòng)條紋個(gè)數(shù)N =M/ T = 37。由于確定的判別像素間距,程序在條紋小范圍左右徘徊的狀態(tài)時(shí)難以判別,會(huì)產(chǎn)生誤差。因此,程序計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與前面測(cè)溫時(shí)數(shù)出來的條紋個(gè)數(shù)41～46(120 s)近似,說明此程序的處理較為正確。此時(shí),根據(jù)前面溫度檢測(cè)得到的結(jié)果,即條紋數(shù)與溫度變化的關(guān)系Δy = 8.30Δx ,得到溫度變化值Δx =Δy/ 8.30 = N/ 8.30 = 4.46 ℃,對(duì)照前面熱敏電阻計(jì)算的溫度變化值5.27 ℃,結(jié)果較為一致。說明此程序可以用來判定條紋個(gè)數(shù),對(duì)應(yīng)溫度變化與條紋數(shù)的關(guān)系,就可以得到溫度變化值,從而實(shí)現(xiàn)光纖溫度傳感測(cè)量。

圖9 距標(biāo)定位最近的亮條紋分布圖

圖10 展開后的圖像 結(jié)束語 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）參考文獻(xiàn)

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第三篇：光纖氣體傳感器總結(jié)

光纖氣體傳感器調(diào)研總結(jié)

光纖氣體檢測(cè)綜述

1.1國(guó)內(nèi)外光纖氣體檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測(cè)出來, 并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件, 人們很早就開始了氣體傳感器的研究, 將其用來對(duì)有毒、有害氣體的探測(cè), 對(duì)易爆、易燃?xì)怏w的安全報(bào)警。對(duì)人類生產(chǎn)生活中所需了解的氣體進(jìn)行檢測(cè)、分析研究等, 使得它在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中起到耳目的作用。

光纖傳感技術(shù)是一項(xiàng)正在發(fā)展中的具有廣闊前景的新型高技術(shù)。由于光纖本身在傳遞信息過程中具有許多特有的性質(zhì), 如光纖傳輸信息時(shí)能量損耗很小, 給遠(yuǎn)距離遙測(cè)帶來很大方便。光纖材料性能穩(wěn)定, 不受電磁場(chǎng)干擾, 在高溫、高壓、低溫、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境下保持不變所以光纖傳感器從問世到如今, 一直都在飛速發(fā)展[1]。

世界上已有多種光纖傳感器，諸如位移、速度、加速度、壓力、流量等物理量都實(shí)現(xiàn)了不同性能的光纖傳感。光纖氣體傳感技術(shù)是光纖傳感技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用分支，主要基于氣體的物理或化學(xué)性質(zhì)相關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象或特性。近年來，它在環(huán)境監(jiān)測(cè)、電力系統(tǒng)以及油田、礦井、輻射區(qū)的安全保護(hù)等方面的應(yīng)用顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性[2]。

1989年，西安應(yīng)用光學(xué)研究所的郭栓運(yùn)對(duì)光纖氣體傳感器展開研究，在應(yīng)用光學(xué)雜志上介紹了差分光譜吸收的基本原理，給出了實(shí)驗(yàn)框圖和應(yīng)用實(shí)例[15]。

1992年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的王耀才等在光纖通信技術(shù)雜志上介紹了吸收型光纖瓦斯傳感技術(shù)和干涉型瓦斯傳感器的原理，并對(duì)其在煤礦重的應(yīng)用前景做了探討[16]。

1997年，山東礦業(yè)學(xué)院的曹永茂等人針對(duì)光纖瓦斯傳感器光波波長(zhǎng)的選擇展開討論，提出根據(jù)傳感器技術(shù)指標(biāo)來確定光纖瓦斯傳感器的基本參數(shù)，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[17]。

1999年，大連理工大學(xué)劉文琦等人報(bào)道了一種新型透射式光纖甲烷傳感器，用1.31μｍ InGaAsP型LED做光源測(cè)量甲烷濃度，通過研究制備一種納米級(jí)多透射膜，增強(qiáng)了甲烷氣體對(duì)激光的光譜吸收[18]。同年，香港理工大學(xué),靳偉應(yīng)用調(diào)制光盤技術(shù)對(duì)DFB激光器驚醒調(diào)制，研究光纖氣體傳感器的分時(shí)多路復(fù)用（TDM）技術(shù)。靳偉建立了計(jì)算仿真模型，仿真結(jié)果表明由20個(gè)甲烷氣體傳感器組成的光纖氣體傳感器陣列的檢測(cè)靈敏度可以達(dá)到2000ppm[19-20]。之后靳偉博士與清華大學(xué)喻洪波合作，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波調(diào)頻技術(shù)復(fù)用的光纖氣體多點(diǎn)傳感系統(tǒng)[21]。

2000年，浙江大學(xué)葉險(xiǎn)峰等在對(duì)CH4分子近紅外洗后光譜分析比較的基礎(chǔ)上考慮與光纖的低損耗窗口相一致以及價(jià)格等因素，采用價(jià)廉的1.3μｍ波段的LED作為光源，實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲烷氣體的檢測(cè)，檢測(cè)靈敏度為1300ppm/m[6]。

2001年，燕山大學(xué)王玉田等根據(jù)甲烷氣體的吸收光譜，研究了一種利用價(jià)格低廉的LED作為光源的新型投射式光纖甲烷氣體傳感器，選擇兩種同型號(hào)的LED光源作為差分吸收信號(hào)，光源驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)實(shí)行交替斬波[7]。為了保證系統(tǒng)對(duì)甲烷氣體檢測(cè)的精度，采取了兩項(xiàng)措施，一是設(shè)置了參考通道，二是采用了光源反饋通道以增強(qiáng)LED光源的穩(wěn)定性[8]。

2005年，張愛軍[3]對(duì)光譜吸收型光纖氣體進(jìn)行了研究。每一種氣體都有固有的吸收譜，當(dāng)光源的發(fā)射光波與氣體的洗后光波長(zhǎng)相吻合時(shí)，就會(huì)放生共振洗后，其洗后強(qiáng)度與該氣體的濃度有關(guān)，通過測(cè)量光的吸收強(qiáng)度就可測(cè)量氣體的濃度。以甲烷氣體為例，通過實(shí)驗(yàn)研究，分析了吸收路徑長(zhǎng)度對(duì)傳感器靈敏度的影響，增加吸收路徑的長(zhǎng)度，有利于提高傳感器的靈敏度。氣體體濃度較小時(shí)，通過增加吸收路徑的長(zhǎng)度來提高傳感器的靈敏度效果明顯。

2006年，中國(guó)科學(xué)院安徽光機(jī)所的闞瑞峰等可調(diào)諧二極管激光吸收光譜與多次反射池相結(jié)合，研制了用于地面環(huán)境空氣中甲烷含量檢測(cè)的便攜式吸收光譜儀，并利用不同體積分?jǐn)?shù)的甲烷氣體對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，取得了很好的測(cè)試結(jié)果[9]。王曉梅等分析了TDLAS諧波信號(hào)的特征，建立了諧波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，利用較高濃度氣體的二次諧波信號(hào)作為曲線，對(duì)待測(cè)氣體的諧波信號(hào)進(jìn)行線性回歸[10]。

2007年，燕山大學(xué)王艷菊等采用雙光路、雙波長(zhǎng)來解決光源功率波動(dòng)、光纖損耗等問題，在接受端采用旋轉(zhuǎn)雙色濾光器和單探測(cè)器消除了雙光電器件的飄逸對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響[11]。同年，中國(guó)科學(xué)院安徽光機(jī)所的陳玖等應(yīng)用自平衡測(cè)量方法，消除了激光的共模噪聲和其他同性干擾的影響，該方法不用加信號(hào)調(diào)制和所想放大器，減小了系統(tǒng)裝置的體積，易于集成便攜式痕量氣體檢測(cè)儀[12]。

2008年，褚衍平等通過光纖光柵和壓電陶瓷對(duì)快帶光源LED進(jìn)行調(diào)制，獲得了與氣體吸收峰對(duì)應(yīng)的窄帶反射出射光，檢測(cè)二次諧波實(shí)現(xiàn)氣體濃度的高靈敏測(cè)量，利用測(cè)量氣室和參考?xì)馐业亩沃C波比值來消除吸收系數(shù)隨環(huán)境的變化、光源光功率的波動(dòng)和光路干擾對(duì)測(cè)量精度的影響[13]。

2009年，華南理工大學(xué)肖兵等基于自平衡激光接收器和數(shù)字鎖定放大器構(gòu)造了TDLAS汽車尾氣動(dòng)態(tài)濃度測(cè)量系統(tǒng)，自平衡激光接收器通過引入一個(gè)低頻反饋回路去維持吸收信號(hào)和參考信號(hào)的自動(dòng)平衡，數(shù)字鎖定放大器由DSP芯片實(shí)現(xiàn)相關(guān)檢測(cè)算法，提高了系統(tǒng)的測(cè)量靈敏度[14]。

2010年，南京航空航天大學(xué)齊潔提出了基于光源掃描的光纖氣體傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了一種新的基于查分吸收院里的氣體傳感系統(tǒng)，能對(duì)單一氣體記性對(duì)波段測(cè)定檢測(cè)，同時(shí)可以完成多種氣體共存環(huán)境的檢測(cè)。提出了一種基于最小二乘的背景噪聲消除方法。利用傳感氣室的輸入和輸出的擬合曲線相除的方法，實(shí)現(xiàn)了傳感器輸出的歸一化，解決了傳感器背景噪聲漂移的問題，同時(shí)解決了濃度對(duì)氣體吸收譜擬合線的影響，提高了測(cè)量精度[4]。

2012年，張可可[5]以比爾-郎伯定律為理論基礎(chǔ)，研究利用光譜吸收法測(cè)量氣體的濃度，根據(jù)HIRAN數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇近紅外區(qū)甲烷2v3帶R3支的三條氣體吸收線記性研究，并確定吸收譜線的相關(guān)參數(shù)。研究波長(zhǎng)調(diào)制光譜與諧波檢測(cè)理論，利用傅立葉級(jí)數(shù)展開模型和泰勒級(jí)數(shù)展開模型分析各次諧波信號(hào)，在頻率調(diào)制信號(hào)模型的基礎(chǔ)上，采用頻率-強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)模型研究強(qiáng)度調(diào)制對(duì)各次諧波信號(hào)的影響。研究高斯線型和洛倫茲線型的各次諧波型號(hào)余波長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)的關(guān)系，確定各次諧波最佳的波長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)。對(duì)激光在光路中多次反射形成的標(biāo)準(zhǔn)具曉瑩展開研究，為標(biāo)準(zhǔn)具噪聲的抑制提供理論依據(jù)。

專利方面，國(guó)內(nèi)發(fā)明專利《D形光纖消逝場(chǎng)化學(xué)傳感器》，發(fā)明提出一種用于醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)控、食品安全等檢測(cè)量的D形光纖消逝場(chǎng)化學(xué)傳感器?！豆饫w生物傳感器》這是一種光纖生物傳感器，用于測(cè)定環(huán)境中微生物的種類、含量等?！豆饫w液位傳感器》，一種光纖液位傳感器，包括有光源，探測(cè)器和傳感頭?！稁в泄饫w氣體傳感器的傳感系統(tǒng)》 專利號(hào)：CN101545860 發(fā)明人：夏華;J·S·戈德米爾;K·T·麥卡錫;A·庫(kù)馬;R·安尼格里;E·伊爾梅茨;A·V·塔瓦爾;Y·趙。這是一種包括光纖芯(32)的光纖氣體傳感器(20),該傳感器具有 位于光纖芯周圍的具有不同調(diào)幅輪廓的第一和第二折射率周期調(diào)制光 柵結(jié)構(gòu)（36、38)。光纖包層(40)位于所述第一和第二折射率周期 調(diào)制光柵結(jié)構(gòu)周圍。敏感層(42)位于所述折射率周期調(diào)制光柵結(jié)構(gòu) 的其中一個(gè)的光纖包層周圍。該敏感層包括由Pd基合金制成的敏感材 料,該P(yáng)d基合金例如是納米PdOx、納米Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y)或納米 Pd/Au/WOx。光纖氣體傳感器提供對(duì)來自燃燒環(huán)境的局部溫度校正氣 體濃度和成分的測(cè)量。本發(fā)明也描述了具有一個(gè)或多個(gè)光纖氣體傳感 器的陣列的基于反射或基于透射的傳感系統(tǒng)?！兑环N光纖氣體傳感器》 專利號(hào)：CN101059443 發(fā)明人：侯長(zhǎng)軍;霍丹群;張紅英;廖海洋;鄭小林;侯文生;楊軍;皮喜田。這是一種光纖氣體傳感器,涉及檢測(cè)光氣及揮發(fā)性有機(jī)氣體的光纖氣體傳感器。本發(fā)明傳感器 主要包括入射光線和出射光纖、反應(yīng)池及金屬卟啉溶液等。由于本發(fā)明傳感器具有操作簡(jiǎn)單、成本低廉；能使待測(cè)氣體與金屬卟啉溶液敏感物質(zhì)充分反應(yīng),顯著提高檢測(cè)的靈敏度；同一 反應(yīng)池能對(duì)多種目標(biāo)氣體同時(shí)進(jìn)行有效檢測(cè)；從反應(yīng)池的加料口加入不同的金屬卟啉溶液, 就能對(duì)不同的目標(biāo)氣體進(jìn)行有效檢測(cè),檢測(cè)范圍廣等特點(diǎn),故本發(fā)明傳感器可廣泛應(yīng)用于廠 房裝修、室內(nèi)裝修、工業(yè)生產(chǎn)及精細(xì)化工等行業(yè)中檢測(cè)光氣及揮發(fā)性有機(jī)物氣體,有利于環(huán) 境保護(hù)和人們的身心健康。SENSING SYSTEM WITH OPTICAL FIBER GAS SENSOR，專利號(hào)：JP2009244262發(fā)明人：XIA HUA;GOLDMEER JEFFREY SCOTT;MCCARTHY KEVIN THOMAS;KUMAR ADITYA;ANNIGERI RAVINDRA;YILMAZ ERTAN;TAWARE AVINASH VINAYAK;ZHAO YU。這個(gè)專利發(fā)明了一種傳感系統(tǒng)以及傳感器。傳感系統(tǒng)包括一組不同類別的光纖氣體傳感器，這些傳感器通過溫度修正測(cè)量氣體濃度。光纖氣體傳感器包括光纖芯，第一和第二折射率周期性調(diào)制光柵結(jié)在光纖芯里有不同的振幅調(diào)制方法。光纖包層包裹著第一和第二折射率周期性調(diào)制光纖結(jié)構(gòu)。傳感層位于光纖包層結(jié)構(gòu)中。傳感層包括一個(gè)由Pb合金傳感材料，如納米級(jí)氧化鉑等。光纖氣體傳感器是在燃燒環(huán)境中通過溫度修正測(cè)量氣體濃度。

1.2光纖氣體傳感器分類

（1）光譜吸收型光纖氣體傳感器 光譜法通過檢測(cè)樣氣透射光強(qiáng)或反射光強(qiáng)的變化來檢測(cè)氣體濃度。每種氣體分子都有自己的吸收譜特征，光源的發(fā)射譜只有在與氣體吸收譜重疊的部分才產(chǎn)生吸收，吸收后的光強(qiáng)發(fā)生變化。根據(jù)比爾-朗伯定律，當(dāng)波長(zhǎng)為λ 的單色光在充有待測(cè)氣體的氣室中

傳播距離為L(zhǎng) 后，其吸收后的光強(qiáng)為：

I(λ)=I0(λ)exp(-αλCL)（1）

式（1）中，I0(λ)為波長(zhǎng)為λ 的單色光透過不含待測(cè)氣體的氣室時(shí)的光強(qiáng)；C 為吸收氣體的濃度；αλ為光通過介質(zhì)的吸收系數(shù)。整理即：

I0)IC???L

（2）

ln(通過檢測(cè)通氣前后光強(qiáng)的變化，就可以測(cè)出待測(cè)氣體的濃度。利用介質(zhì)對(duì)光吸收而使光產(chǎn)生衰減這一特性制成吸收型光纖氣體傳感器原理如圖1 所示。光源發(fā)出的光，由光纖送入氣室，被氣體吸收后，由出射光纖傳至光電探測(cè)器，得到的信號(hào)光送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，可得出氣體濃度。

圖1 光纖氣體傳感器原理框圖

（2）漸逝場(chǎng)型光纖氣體傳感器

漸逝場(chǎng)型光纖傳感器是利用光纖界面附近的漸逝場(chǎng)被氣體吸收峰衰減來測(cè)量氣體濃度的方法，是一種功能性光纖傳感器，從本質(zhì)上說，可以認(rèn)為是一種特殊的光纖光譜吸收型傳感器。（3）熒光型光纖氣體傳感器

這是一種通過測(cè)量與氣體相應(yīng)的熒光輻射來確定其濃度的光纖氣體傳感器。熒光可以由被測(cè)氣體本身產(chǎn)生也可以由其相互作用的熒光染料產(chǎn)生。熒光物質(zhì)受吸收光譜中特定波長(zhǎng)的光照射時(shí)，被測(cè)氣體的濃度既可以改變熒光輻射的強(qiáng)度，也可以改變其壽命。和吸收型光纖氣體傳感器相比，熒光行傳感器使用波長(zhǎng)（熒光波長(zhǎng)）不同于激勵(lì)波長(zhǎng)。由于不同的熒光材料通常具有不同的熒光波長(zhǎng)，因此熒光傳感器對(duì)被測(cè)量的鑒別性好。實(shí)際上希望輻射波長(zhǎng)和激勵(lì)波長(zhǎng)離開的越遠(yuǎn)越好，在輸出端可用廉價(jià)的波長(zhǎng)濾波器將激勵(lì)光和傳感光分開。通常激勵(lì)波長(zhǎng)在可見光或紅外區(qū)，這一波段上光源技術(shù)成熟，幾個(gè)也比較低廉。（4）燃料指示劑型光纖氣體傳感器

一些氣體在石英光纖低耗窗口內(nèi)沒有較強(qiáng)的吸收峰，或者雖有吸收峰但相應(yīng)波長(zhǎng)的光源或檢測(cè)器不存在或太昂貴，解決這些問題的方法之一是應(yīng)用燃料指示劑作為中間物來實(shí)現(xiàn)間接傳感。燃料與被測(cè)氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得燃料的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，利用光纖傳感器測(cè)量這種變化，就可以得到被測(cè)氣體的濃度信息。最常見的燃料指示劑光纖氣體傳感器是pH值傳感器，一些燃料指示劑的顏色會(huì)隨著pH值得變化而變化，引起對(duì)光的吸收的變化。通過測(cè)量某些氣體濃度變化帶來的pH值變化，分析氣體濃度信息。

圖 2 1.3 光纖氣體傳感器的特點(diǎn)

由于光纖本身傳輸損耗和微型結(jié)構(gòu)，光纖氣敏傳感器存在兩個(gè)基本限制：一是光線的低損耗傳輸窗口的限制，石英光纖只在1.1~1.7um的近紅外區(qū)有低損耗和低散射。若在中、遠(yuǎn)紅外區(qū)進(jìn)行探測(cè)會(huì)造成光信號(hào)較大的衰弱，致使光通過待測(cè)氣體后的變化與氣體的檢測(cè)參數(shù)不成特定的關(guān)系。而多數(shù)氣體在中、遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)存在較強(qiáng)的吸收光譜。另一限制是光纖本身的微型結(jié)構(gòu)使得光纖只有較小的數(shù)值孔徑，光耦合難以很高。但在短距離傳輸檢測(cè)中，采用數(shù)值孔徑較大的塑料光纖可提高光耦合，又不會(huì)產(chǎn)生較大的傳輸損耗。

盡管光纖氣體傳感純?cè)谙拗?，但光纖氣體傳感器較傳統(tǒng)的氣體傳感器仍具有很多優(yōu)點(diǎn)：

（1）光纖氣體傳感器本質(zhì)安全、抗電磁干擾、絕緣性能好，且耐高溫、耐高壓、防腐蝕、阻燃防爆，適用于遠(yuǎn)距離遙測(cè)和某些特殊環(huán)境的分析；（2）光纖傳輸損耗低，信息容量大，直徑細(xì)，重量輕，光纖及探頭均可微型化；

（3）測(cè)量范圍寬，精度高，工作穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，成本低，可同時(shí)進(jìn)行多參數(shù)或連續(xù)多點(diǎn)檢測(cè)疑惑的大量信息；

（4）系統(tǒng)匹配性能好，容易實(shí)現(xiàn)檢測(cè)及反饋控制的數(shù)字化、自動(dòng)化和一體化；

（5）光纖探頭對(duì)被測(cè)量場(chǎng)的影響小，靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，響應(yīng)速度快；（6）光纖的生物兼容性好，加之良好的柔韌性和不帶點(diǎn)的安全性，使之尤其適應(yīng)于生物和臨床醫(yī)學(xué)上的實(shí)時(shí)、體內(nèi)檢測(cè)；

（7）在大多數(shù)情況先，光纖氣體傳感器不改變樣品的組成，是非破壞性分析。

由于光纖氣體闖愛情具有上述有點(diǎn)，尤其他的本質(zhì)安全、抗電磁干擾的特點(diǎn)，是其他氣體傳感器無法比擬的。這使它可以安全方便地用于易燃易爆、強(qiáng)電磁干擾或其他惡劣環(huán)境中氣體的檢測(cè)。

產(chǎn)品調(diào)研

1、北京品傲光電科技有限公司 光纖傳感器性能指標(biāo)如圖3：

圖 3 系統(tǒng)設(shè)備及參數(shù)如圖4：

圖 4 光纖氣體傳感器課探測(cè)氣體如圖5：

圖 5 產(chǎn)品實(shí)例圖：

10,000 ppm= 1％ v / v（體積之比）價(jià)格：

35萬左右?；魇浚ㄏ愀郏┯邢薰?/p>

目前產(chǎn)品只能測(cè)氣體的有無，但工作溫度能到達(dá)300度

2、深圳富凱士公司

只能測(cè)單一氣體的話是有成品，但是要將混合氣體的成分區(qū)分開來的話，我們還在實(shí)驗(yàn)室階段，暫時(shí)沒有成品提供。

3、北京蔚藍(lán)仕沒有相關(guān)光纖氣體傳感器。

瀏覽多家國(guó)外知名氣體傳感器廠家中國(guó)區(qū)主頁(yè)，如英國(guó)City Technology；日本費(fèi)加羅，歐姆龍（只能測(cè)物體數(shù)量）Nemoto；美國(guó)飛思卡爾，歐米伽；德國(guó)SENSOR等。未發(fā)現(xiàn)相關(guān)光纖氣體傳感器的產(chǎn)品。

長(zhǎng)春光機(jī)所：期刊論文《用于石油測(cè)井和管道運(yùn)輸?shù)姆植际焦饫w傳感技術(shù)》，闡述了我國(guó)分布式壓力，溫度光纖傳感器在石油化工方面的應(yīng)用情況。

發(fā)明專利《D形光纖消逝場(chǎng)化學(xué)傳感器》，發(fā)明提出一種用于醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)控、食品安全等檢測(cè)量的D形光纖消逝場(chǎng)化學(xué)傳感器?！豆饫w生物傳感器》，這是一種光纖生物傳感器，用于測(cè)定環(huán)境中微生物的種類、含量等。《光纖液位傳感器》，一種光纖液位傳感器，包括有光源，探測(cè)器和傳感頭。安徽光機(jī)所： 王曉梅等《基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜的高精度痕量氣體濃度定量方法》，分析了TDLAS諧波信號(hào)的特征，建立了諧波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，利用較高濃度氣體的二次諧波信號(hào)作為曲線，對(duì)待測(cè)氣體的諧波信號(hào)進(jìn)行線性回歸。

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第四篇：10KV開關(guān)柜光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)方案要點(diǎn)

**市220KV雙堰變電站

開關(guān)柜光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)

技

術(shù)

方

案

概述

電力設(shè)備在正常工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。線路、設(shè)備等的連接處由于環(huán)境影響，加工工藝等原因使連接部分壓接不緊、壓力不夠、觸頭間的接觸部分發(fā)生變化等引起接觸電阻變大，發(fā)熱現(xiàn)象會(huì)更加明顯。長(zhǎng)期如此會(huì)加速電力設(shè)備線路等的老化，引起電力設(shè)備的絕緣性能下降，嚴(yán)重的還能觸發(fā)電弧短路，降低設(shè)備使用壽命，引起重大的電力事故。尤其是隔離開關(guān)活動(dòng)的動(dòng)、靜觸頭部分、主變引線、電纜頭發(fā)熱現(xiàn)象比較突出，故障率高，每年均有此類問題發(fā)生。目前監(jiān)視方法仍靠工作人員定期完成的，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作效率極低，而且不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛藏的隱患，有些電力設(shè)備的焊點(diǎn)與接頭位于不便觸及的里端，這又給檢測(cè)人員帶來了極大的不便。

光纖光柵傳感技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一門嶄新的技術(shù)，是伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)發(fā)展而派生的全新概念的傳感技術(shù)。光纖光柵傳感器通過辨析光波長(zhǎng)來檢測(cè)、度量外界物理量的變化。作為傳感器家族新成員，光纖光柵傳感器具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：

1)

抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、安全性好——對(duì)電絕緣，適合高電壓場(chǎng)所；

2)

靈敏度高，溫度精度高，壽命長(zhǎng)，綜合性能全面優(yōu)于現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段；

3)

重量輕、體積小、可撓曲，適用于狹小空間；

4)

測(cè)量對(duì)象廣泛，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小；

5)

易于組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離分布式測(cè)量。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)必須滿足：

?

實(shí)施探測(cè)開關(guān)柜觸頭溫度

?

準(zhǔn)確定位異常溫度開關(guān)柜地址；

?

光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)開關(guān)柜中A,B,C三相電纜頭；A,B,C三相靜觸頭；開關(guān)柜內(nèi)部環(huán)境實(shí)時(shí)溫度，溫度異常報(bào)警信號(hào)可通過光纖光柵測(cè)溫主機(jī)傳送給儀表操作室現(xiàn)有的火災(zāi)控制器，實(shí)現(xiàn)報(bào)警并在消防值班室的工控機(jī)顯示，也可通過手機(jī)短信發(fā)送信息至相關(guān)人員手機(jī)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)范圍

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含針對(duì)本次系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)、設(shè)備供貨、安裝指導(dǎo)、調(diào)試開通、配合驗(yàn)收以及設(shè)備保修等服務(wù)。其中系統(tǒng)設(shè)備包含光纖光柵測(cè)溫主機(jī)（AP-DTS800）、光纖光柵傳感器（AP-DTS800A）、AP-PSTO絕緣增爬器及其他安裝附件。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

1）

絕緣耐壓性強(qiáng)：

在電力系統(tǒng)尤其是高壓和超高壓系統(tǒng)中使用的設(shè)備，首先要滿足絕緣耐壓的要求，即不能降低原有設(shè)備的電壓等級(jí)和安全特性，基于光纖光柵原理的AP-DTS800光纖光柵在線測(cè)溫系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)為全光測(cè)量，并且采用加涂特氟龍高性能特種涂料的特殊光纜完全滿足高壓開關(guān)柜內(nèi)的絕緣耐壓要求。

2）

C+L寬光源：

我公司DTS100光纖光柵傳感分析儀采用C+L寬光源，輸出光功率穩(wěn)定性好，功率損耗低，使用壽命長(zhǎng)；波長(zhǎng)覆蓋范圍廣1525nm-1610nm

。AP-DTS800光纖光柵傳感分析儀每通道可連接最多40個(gè)光纖光柵溫度傳感器（采用普通光源的光纖光柵傳感分析儀每通道最多連接25個(gè)光纖光柵溫度傳感器）。

3）

防污閃：

在高壓開關(guān)柜這樣的有限空間內(nèi)，如何保證光纖留有足夠的爬電距離是該系統(tǒng)能否保證原有系統(tǒng)安全的一大關(guān)鍵。四川安普光控科技有限公司提供的AP-DTS800A光纖光柵溫度傳感器采用耐污性能優(yōu)良的硅橡膠外套光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，從而保證了系統(tǒng)的安全性。DTS800A光纖光柵溫度傳感器加裝防閃絡(luò)絕緣增爬器（絕緣子），徹底解決光纖測(cè)溫系統(tǒng)中由于光纖的接入可能存在的閃絡(luò)問題，保障整個(gè)光纖測(cè)溫系統(tǒng)在最惡劣的環(huán)境中也可以安全運(yùn)行

4）

故障點(diǎn)準(zhǔn)確定位：

傳統(tǒng)的光纖測(cè)溫方式定位精度低，而且為了定位需要將5米光纖盤成一個(gè)盤來安裝，不僅安裝復(fù)雜，而且測(cè)量周期很長(zhǎng)，還有很多隱患。而光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)由于采用了光纖光柵做測(cè)溫敏感元件，所以可以通過光纖光柵溫度傳感器來準(zhǔn)確定位，對(duì)過熱相或溫升異常相進(jìn)行報(bào)警，不僅可以測(cè)溫，同時(shí)還可以通過溫度的監(jiān)測(cè)間接判斷小電流接地端，作為小電流接地監(jiān)測(cè)的補(bǔ)充。

5）

實(shí)時(shí)探測(cè)報(bào)警能力：

傳統(tǒng)光纖測(cè)溫方式，如測(cè)溫點(diǎn)在40點(diǎn)到100點(diǎn)之間，則測(cè)溫周期在幾分鐘到半小時(shí)之間。采用新型的光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)，全部測(cè)點(diǎn)測(cè)溫周期小于50毫秒，充分的保證報(bào)警的及時(shí)性，同時(shí)由于測(cè)溫周期短，可以在報(bào)警系統(tǒng)中引入溫升趨勢(shì)報(bào)警，提高了報(bào)警的可靠性和前瞻性，提高電力設(shè)備的安全性。

6）

系統(tǒng)穩(wěn)定性高：

光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有光纖光柵溫度傳感器和分析儀兩大主要部分組成，因此無中間環(huán)節(jié)，而測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)為全光測(cè)量，完全不受強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

7）

高可靠性：

光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)與傳統(tǒng)測(cè)溫方式相比有無誤報(bào)、無漏報(bào)的特點(diǎn)，這是由于光纖光柵只對(duì)溫度敏感，因此無論是其他條件發(fā)生何種變化，都不會(huì)對(duì)光纖光柵測(cè)量的準(zhǔn)確性發(fā)生影響，另外，光纖光柵的加工方式采用物理加工的方式，因此，一旦產(chǎn)品完成后，除非破壞不會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，所以光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)不需要向傳統(tǒng)的測(cè)溫系統(tǒng)那樣，定期進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定，從而非常方便于維護(hù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范

光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合下列規(guī)范：

GB

2423.1

《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程

試驗(yàn)A（低溫試驗(yàn)方法）》

GB

2423.2

《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程

試驗(yàn)B（高溫試驗(yàn)方法）》

GB

4208

《外殼防護(hù)等級(jí)的分類》

GB/T

5226.1

《工業(yè)機(jī)械電氣設(shè)備

第一部分：通用技術(shù)條件》

GB

5080.1

《設(shè)備可靠性試驗(yàn)總要求》

GB/T

11022-1999

《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》

GB/T

17626-1998

《電磁兼容、試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)》

GB/T

17626.2

《靜電放電抗擾度試驗(yàn)》

GB/T

17626.3

《射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)》

GB/T

17626.4

《電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)》

GB/T

17626.5

《浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)》

GB/T

17626.6

《射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度》

GB/T

17626.8

《工頻磁場(chǎng)的抗擾度試驗(yàn)》

Q/CSG

0011-2005

220kV~500

kV

《變電站電氣技術(shù)導(dǎo)則》

系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)和性能

6.1

光纖光柵測(cè)溫主機(jī)

品牌：四川安普

型號(hào)：DTS800

l

通道數(shù)：1-128

l

測(cè)溫精度：±0.5℃

l

測(cè)溫分辨率：0.1℃

l

測(cè)溫速率：20Hz

l

傳感器光纖最大傳輸距離：40km

l

通信接口：10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)

l

報(bào)警接口：1)光電隔離繼電器輸出

2)手機(jī)短信報(bào)警模塊

3）語音報(bào)警音頻接口

l

供電電源：AC：220V

/50Hz

l

工作環(huán)境溫度：-10℃～+50℃

l

機(jī)箱：標(biāo)準(zhǔn)19英寸工業(yè)機(jī)箱

6.2

光纖光柵傳感器（DTS800A）

l

測(cè)溫范圍：-55℃～200℃

l

最大耐溫能力：220℃

l

溫度分辨率：0.1℃

l

精度：±0.5℃

l

響應(yīng)時(shí)間：<2S

l

光纜最大傳輸距離：40km

6.3

AP-PSTO絕緣增爬器

氣候潮濕地區(qū)，鹽霧嚴(yán)重的沿海地區(qū)以及重工業(yè)集中、空氣污染嚴(yán)重的區(qū)域，開關(guān)柜的運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣。開關(guān)柜在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，由于水汽，塵埃，鹽霧等的積累，導(dǎo)致內(nèi)部絕緣部件尤其是表面絕緣強(qiáng)度大大降低，甚至發(fā)生閃絡(luò)導(dǎo)致表面擊穿，從而引發(fā)事故的發(fā)生。AP-PSTO系列防閃絡(luò)絕緣增爬器的應(yīng)用，徹底解決光纖測(cè)溫系統(tǒng)中由于光纖的接入可能存在的閃絡(luò)問題，保障整個(gè)光纖測(cè)溫系統(tǒng)在最惡劣的環(huán)境中也可以安全運(yùn)行。

AP-PSTO絕緣增爬器可應(yīng)用于220kV及以下電氣系統(tǒng)。在工廠內(nèi)與光纖感溫傳感器以及傳輸光纖預(yù)裝配為一個(gè)整體部分，不增加任何現(xiàn)場(chǎng)安裝工序。AP-PSTO亦可以加裝在已經(jīng)運(yùn)行的光纖測(cè)溫系統(tǒng)中，徹底解決原有測(cè)溫系統(tǒng)可能存在的絕緣安全隱患。

型號(hào)

AP-PSTO

AP

-PSTO

AP

-PSTO

額定電壓等級(jí)

kv

35kv

110kv

適應(yīng)污穢等級(jí)

Ⅳ

Ⅳ

Ⅳ

傳感器安裝步驟

1.清潔被測(cè)物體表面

將被測(cè)物體表面的灰塵、鐵銹、污物等清理干凈，如果有條件可以用酒精棉擦試被測(cè)物體表面，直到擦拭干凈為止。

2.盤纖

對(duì)于被測(cè)物體表面只能采用單端出光纜的測(cè)點(diǎn)位置，將傳感器固定好，光纜按照?qǐng)D所示盤纖，盤纖直徑不小于50mm，盤完以后順著開關(guān)柜用扎帶分段捆扎。

絕緣扎帶

傳感器

絕緣耐高溫光纜

3.固定捆扎傳感器

感溫區(qū)

傳感器主體

耐高溫光纜

4.傳感器外形如圖所示，將感溫區(qū)涂上適量的導(dǎo)熱絕緣膠，安放于被測(cè)物體表面。

被測(cè)物體

安裝固定槽

傳感器

安裝示意圖如圖所示。

5.光纜接續(xù)盒熔接保護(hù)

首先需要將主光纜的一端用開纜刀剝掉230mm長(zhǎng)的外層披覆，光纜盒的一端光纜剝掉120mm長(zhǎng)的外層披覆，其中凱氟拉的長(zhǎng)度不小于30mm。然后加熱縮套管放進(jìn)光纖熔接機(jī)進(jìn)行熔接、熱縮。將熔接好的光纜盤在光纖接續(xù)盒內(nèi)固定結(jié)實(shí)。

6.接入主纜

傳感器安裝實(shí)例

傳感器安裝在10kv/35kv母排上，光纜要順著自身母排的絕緣橡膠套走纜。距傳感器安裝10cm處要用定位吸盤固定緊，盡量避免光纜在柜內(nèi)纏繞。盤圈的光纜要固定整齊，安裝后要求傳感器信號(hào)正常、安全無隱患。

傳感器安裝及走線規(guī)范圖

傳感器安裝及走線規(guī)范圖

傳感器安裝及走線規(guī)范圖

傳感器安裝及走線規(guī)范圖

分路器及盤纖的安裝位置

通信光纜的布置

接續(xù)盒內(nèi)的熔接整理規(guī)范

開關(guān)柜結(jié)構(gòu)圖

分析儀安裝

安裝前，檢查設(shè)備使用說明書及有關(guān)文檔（裝箱單、裝箱手冊(cè)等)，針對(duì)使用要求對(duì)裝箱單進(jìn)行復(fù)核，確認(rèn)所需部件己全部供齊。會(huì)同客戶單位人員共同對(duì)設(shè)備進(jìn)行開箱點(diǎn)驗(yàn)，辦理移交手續(xù)。開箱時(shí)，對(duì)照裝箱單以全部設(shè)備、零部件、附屬材料及專用工具進(jìn)行復(fù)核，清點(diǎn)，確認(rèn)設(shè)備、零部件、規(guī)格、型號(hào)、數(shù)量與裝箱文件和施工圖紙或者合同相符，檢查設(shè)備在運(yùn)輸過程中是否受到損傷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安裝時(shí)可能發(fā)生的錯(cuò)誤和損壞，各方有關(guān)負(fù)責(zé)人在產(chǎn)品接收單上簽字、存檔。

把分析儀、工控機(jī)安裝在標(biāo)準(zhǔn)19英寸機(jī)柜上，接好短信報(bào)警模塊、報(bào)警燈、用直通線把分析儀和工控機(jī)連接起來，把機(jī)柜的地腳螺釘鎖緊，當(dāng)心機(jī)柜倒塌。

在施工完畢后，把施工現(xiàn)場(chǎng)清理干凈。

電力開關(guān)柜光纖在線測(cè)溫系統(tǒng)軟件功能

1.火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警

自動(dòng)對(duì)光纖光柵溫度傳感器所在區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度的異常波動(dòng)，在火災(zāi)發(fā)生前及時(shí)報(bào)警。

2.監(jiān)測(cè)點(diǎn)定位

液晶顯示屏以電子地圖方式實(shí)時(shí)顯示各電力設(shè)備及相應(yīng)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)和當(dāng)前溫度值以及實(shí)際地理位置，方便管理人員操作和維護(hù)。

電子地圖界面

3.遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)在線狀態(tài)查詢

各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度和報(bào)警信息都保存到大容量?jī)?chǔ)存器中，系統(tǒng)按照時(shí)間將數(shù)據(jù)分為歷史信息、實(shí)時(shí)信息；

管理操作人員可以動(dòng)態(tài)調(diào)整被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔滿足實(shí)際要求；

管理操作人員可在局域網(wǎng)上查看各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的歷史溫度變化曲線，為決策和維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持；

溫度曲線界面

詳細(xì)溫度顯示界面

4.報(bào)警設(shè)定

可對(duì)開關(guān)柜觸頭溫度的過溫報(bào)警觸發(fā)條件進(jìn)行設(shè)定，以適用不同季節(jié)氣溫條件下及不同負(fù)荷條件下電力開關(guān)柜實(shí)際運(yùn)行溫度的差異。系統(tǒng)出廠設(shè)定的缺省報(bào)警觸發(fā)條件為：

溫度超過75℃

溫升速率超過8℃／min

超過區(qū)域內(nèi)平均溫度值15℃以上

5.溫度統(tǒng)計(jì)

可給出設(shè)備最高運(yùn)行溫度值及其發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間及對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置編號(hào)和地理信息。

6.系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)

分析儀報(bào)警接口輸出開關(guān)量可直接接入儀表操作室現(xiàn)有的火災(zāi)控制器，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警并在消防值班室顯示，也可通過手機(jī)短信發(fā)送信息至相關(guān)人員手機(jī)。

7.線路自檢及故障定位

具有自檢功能，可對(duì)光纖傳輸線路的損耗及斷點(diǎn)位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，方便系統(tǒng)調(diào)試、維護(hù)及線路檢修。

系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)圖

設(shè)備及材料清單

清單號(hào)

項(xiàng)目名稱

型號(hào)規(guī)格

制造商及原產(chǎn)地

單位

數(shù)量

單價(jià)（元）

合計(jì)(元)

備注

19寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜

個(gè)

工控機(jī)

個(gè)

光纖光柵測(cè)溫主機(jī)

DTS800

安普/四川

光纖光柵傳感器

DTS800A

安普/四川

個(gè)

220

絕緣增爬器

AP-PSTO

安普/四川

個(gè)

220

以太網(wǎng)網(wǎng)線

根

光纖分線盒

個(gè)

通信光纖

米

1分6光纖接續(xù)盒

安普/四川

個(gè)

傳感器固定卡扣

個(gè)

660

光纖光柵在線分析軟件

安普/四川

套

安裝附件

套

第五篇：DS18B20溫度傳感器設(shè)計(jì)報(bào)告

傳感器課程設(shè)計(jì)

專 業(yè)： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

---數(shù)字溫度計(jì)

年 級(jí)： 2011 級(jí) 姓 名： 樊 益 明

學(xué) 號(hào)： 20113042

指導(dǎo)教師： 劉 德 春

阿壩師專電子信息工程系

1.引 言

1.1.設(shè)計(jì)意義

在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常要用到溫度的檢測(cè)及控制，傳統(tǒng)的測(cè)溫元件有熱電偶和熱電阻。而熱電偶和熱電阻測(cè)出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度，需要比較多的外部硬件支持。其缺點(diǎn)如下：

● 硬件電路復(fù)雜； ● 軟件調(diào)試復(fù)雜； ● 制作成本高。

本數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)采用美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器DS18B20作為檢測(cè)元件，測(cè)溫范圍為-55～125℃，最高分辨率可達(dá)0.0625℃。

DS18B20可以直接讀出被測(cè)溫度值，而且采用三線制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的熱點(diǎn)。設(shè)計(jì)要求

2.1基本要求 1)用LCD12232實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度顯示溫度和自己的學(xué)號(hào)。2)采用LED數(shù)碼管直接讀顯示。2.2擴(kuò)展功能

溫度報(bào)警，能任意設(shè)定溫度范圍實(shí)現(xiàn)鈴聲報(bào)警；

33.1單片機(jī)89C52模塊

單片機(jī)89C52是本設(shè)計(jì)中的控制核心，是一個(gè)40管腳的集成芯片構(gòu)成。引腳部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)引腳基本電路部分與普通設(shè)計(jì)無異，40腳接Vcc+5V，20腳接地。X1，X2兩腳接12MHZ的晶振，可得單片機(jī)機(jī)器周期為1微秒。RST腳外延一個(gè)RST復(fù)位鍵，一端通過10K電阻接Vcc，一端通過10K電阻接地。AT89S52是一種低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，具有8K的可編程Flash 存儲(chǔ)器。使

資料準(zhǔn)備 用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。P 0口接一個(gè)470的上拉電阻。P0口0~8腳接4位共陽(yáng)數(shù)碼管的段選，P2口0~4腳接4位共陽(yáng)數(shù)碼管的位選，P3.7接DS18B20采集信號(hào)。

3.2 DS18B20簡(jiǎn)介

DALLAS最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20簡(jiǎn)介新的“一線器件”體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì) Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。DS18B20、DS1822 “一線總線”數(shù)字化溫度傳感器 同DS1820一樣，DS18B20也支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為-55°C~+125°C，在-10~+85°C范圍內(nèi),精度為±0.5°C。DS1822的精度較差為± 2°C?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3V~5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。DS18B20、DS1822 的特性 DS18B20可以程序設(shè)定9~12位的分辨率，精度為±0.5°C?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20的性能是新一代產(chǎn)品中最好的！性能價(jià)格比也非常出色！DS1822與 DS18B20軟件兼容，是DS18B20的簡(jiǎn)化版本。省略了存儲(chǔ)用戶定義報(bào)警溫度、分辨率參數(shù)的EEPROM，精度降低為±2°C，適用于對(duì)性能要求不高，成本控制嚴(yán)格的應(yīng)用，是經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品。繼“一線總線”的早期產(chǎn)品后，DS1820開辟了溫度傳感器技術(shù)的新概念。DS18B20和DS1822使電壓、特性及封裝有更多的選擇，讓我們可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)。3.3 溫度傳感器的工作原理

DS18B20的讀寫時(shí)序和測(cè)溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s 減為750ms。DS18B20測(cè)溫原理：低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值，即為所測(cè)溫度。

3.4 DS18B20中的溫度傳感器對(duì)溫度的測(cè)量

高速暫存存儲(chǔ)器由9個(gè)字節(jié)組成，其分配如表5所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在 高速暫存存儲(chǔ)器的第0和第1個(gè)字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后。

溫度數(shù)據(jù)值格式

下表為12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際 溫度。例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，實(shí)際溫度=07D0H*0.0625=2000*0.0625=125℃。

例如-55℃的數(shù)字輸出為FC90H，則應(yīng)先將11位數(shù)據(jù)位取反加1得370H（符號(hào)位不變，也不作運(yùn)算），實(shí)際溫度=370H*0.0625=880*0.0625=55℃。

可見其中低四位為小數(shù)位。

DS18B20溫度與表示值對(duì)應(yīng)表

3.5 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如下:

DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；

GND為電源地；

VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。

1)64位的ROM 光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。

2)DS18B20溫度傳感器的存儲(chǔ)器

DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的E2RAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。

暫存存儲(chǔ)器包含了8個(gè)連續(xù)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)是測(cè)得的溫度信息，第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝，第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第六、七、八個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。

3.6 DS18B20的時(shí)序

由于DS18B20采用的是單總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì)89C51單片機(jī)來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來完成對(duì)DS18B20芯片的訪問。

由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。

1）DS18B20的復(fù)位時(shí)序

2）DS18B20的讀時(shí)序

對(duì)于DS18B20的讀時(shí)序分為讀0時(shí)序和讀1時(shí)序兩個(gè)過程。

對(duì)于DS18B20的讀時(shí)隙是從主機(jī)把單總線拉低之后，在15秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20在完成一個(gè)讀時(shí)序過程，至少需要60us才能完成。

3）DS18B20的寫時(shí)序

對(duì)于DS18B20的寫時(shí)序仍然分為寫0時(shí)序和寫1時(shí)序兩個(gè)過程。

對(duì)于DS18B20寫0時(shí)序和寫1時(shí)序的要求不同，當(dāng)要寫0時(shí)序時(shí)，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線上的“0”電平，當(dāng)要寫1時(shí)序時(shí)，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線。

4系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如下圖所示：

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求數(shù)字溫度計(jì)總體電路結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示

5硬件設(shè)計(jì)

溫度計(jì)采用AT89C51單片機(jī)作為微處理器，溫度計(jì)系統(tǒng)的外圍接口電路由晶振、LCD顯示電路、復(fù)位電路、溫度檢測(cè)電路、LCD驅(qū)動(dòng)電路。

溫度計(jì)的工作過程是：初始化其接收需要檢測(cè)的溫度，并一直處于檢測(cè)狀態(tài)，并將檢測(cè)到的溫度值讀取，并轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)值，通過LCD顯示出來，再顯示溫度,方便用戶來讀數(shù)使用記錄數(shù)據(jù)。

溫度計(jì)系統(tǒng)的的硬件電路圖如下圖所示。

DS18B20測(cè)溫和學(xué)號(hào)顯示

6系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)

6.1主程序

主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并處理DS18B20的測(cè)量溫度值。溫度測(cè)量每1s進(jìn)行一次。

主程序流程圖如圖4.1.1所示。

初始化調(diào)用顯示子程序1s到？YN初次上電？N讀出溫度值溫度計(jì)算處理顯示數(shù)據(jù)刷新Y發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令

主程序流程圖

6.2讀出溫度子程序

讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)。在讀出時(shí)須進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。

讀出溫度子程序流程圖如圖4.2所示。

發(fā)DS18B20復(fù)位信號(hào)發(fā)跳過ROM命令CRC校驗(yàn)正確？發(fā)讀取溫度命令Y移入溫度暫存器讀取操作，CRC校驗(yàn)YNN結(jié)束9字節(jié)完？

6.3溫度轉(zhuǎn)換命令子程序

溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令。當(dāng)采用12位分辨率時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間大約為750ms。在本程序設(shè)計(jì)中，采用1s顯示程序延時(shí)法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序圖如圖4.3所示。

發(fā)DS18B20復(fù)位uml發(fā)跳過ROM命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令

結(jié)束

6.4計(jì)算溫度子程序

計(jì)算溫度子程序?qū)AM中讀取值進(jìn)行BCD碼的轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并進(jìn)行溫度值的正負(fù)判斷。

計(jì)算溫度子程序流程圖如圖4.4所示。

開始計(jì)算小數(shù)位溫度BCD值溫度零下？N計(jì)算整數(shù)位溫度BCD值Y置“+”標(biāo)志溫度值補(bǔ)碼置“—”標(biāo)志結(jié)束

6.5顯示數(shù)據(jù)刷新子程序

顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對(duì)顯示緩沖器中得顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，當(dāng)最高數(shù)據(jù)顯示位為0時(shí)，將符號(hào)顯示位移入下一位。

顯示數(shù)據(jù)刷新子程序流程圖如圖4.5所示。設(shè)計(jì)總結(jié)

本設(shè)計(jì)利用89S51芯片控制溫度傳感器DS18B52，再輔之以部分外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的控制，性能穩(wěn)定，精度較高，而且擴(kuò)展性很強(qiáng)。由于DS18B20支持單總線協(xié)議，我們可以將多個(gè)DS18B52并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B52通信，占用較少的微處理器的端口就可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)。

我們?cè)诶蠋煹闹笇?dǎo)下完成了基于DS18B20的數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)和制作。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，我們了解并熟悉DS18B20、AT89C2051以及74LS244的工作原理和性能。并且通過溫度計(jì)的制作，我們將電子技能實(shí)訓(xùn)課堂上學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行運(yùn)用，并在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，更加增加對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解。