（光学专业论文）油罐漏油检测系统.pdf

摘要 摘要 “油罐漏油检测系统”这个题目是一个现实意义很强的课题，我们研究的主 要目的是将光纤的特殊性更好的运用到石油行业的实际测量中，能够实现对油罐 漏油情况进行实时监测。 研究方法为：光纤对不同物质的折射率不同这一性质，作为我们研究的基础。 首先，分析根据此项性质，能否对是否漏油进行监测；其次，由于在光纤中传送 的是光信号，我们需要将其转换为电信号才可以进一步研究，这就要求我们使用 光电转换装置；第三步，考虑电信号十分微弱，所以需要我们设计一个具有放大 功能的电路实现信号的放大，使随后的研究更加便利，结果更为清晰；第四，此 项设计最大的好处就是我们通过无线传输的方式对油罐进行监测，打破了空间的 局限性。我们采用单片机来实现，需要编程控制无线收发由于放大后的电信号 为模拟信号，因此还需设计一部分a d 转换的程序；最后，为了便于查询结果， 通过v b 界面来调用传输到控制室的数据以及利用l e d 显示电压。 研究成果为：我们所设计的系统，完全可以实现对油罐是否漏油进行监测， 并且可以通过无线传输的方式将监测结果传送至控制室，由人工在v b 界面上操 控。 关键字：光纤传感；数值孔径；光电转换；可视界面 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et o p i ct h a t ”t h et e s t i n gs y s t e mo f t h el e a ko i l c a n “h a sar e a l i s t i cm e a n i n g o u r m a i ns t u d yp u r p o s ei st h a tt h es p e c i a ln a t u r eo ff i b e ro p t i ci sb e t t e rt om a k e 峨o f p e t r o l e u mp r o f e s s i o no f i nt h ea c t u a l l yd i a g r a p h , a n di t nc a r r yo u ti nt h eo i l c a nl e a k t oc a r r yo ns o l i dh o u rm o n i t o r s t u d ym e t h o d ：t h es p e c i a lp r o p e r t yo f o p t i c a lf i b e ri sd i f f e r e n tt ot h er e f r a c t i v e i n d e xo f d i s s i m i l a r i t ym a t e r i a l ，w h i c hi st h ef o u n d a t i o no f o u rs t u d y f i r s ta c c o r d i n gt o t h i sp r o p e r t y , w ea n a l y z ew h e t h e rt h el e a ko i ls y s t e mc a l lb eam o n i t o r ；s e c o n d l y , b e c a o s eo ft h es i g n a lw h i c hi sd e l i v e r e di nt h eo p t i c a lf i b e ri sl i g h ts i g n a l ，w en e e dt o c o n v e r ti ta st e l e c o m m u n i c a t i o nn u m b e rt o j u s tc a ns t u d yf u r t h e r , a n dw ea l s od e s i g na d e v i c et oc o n v e r t l i g h tt o t h e e l e c t r i c i t y ；t h e t h i r d s t e p ，c o n s i d e r i n g t h e t e l e c o m m u n i c a t i o nn u m b e ri sv e r yf a i n t l y , s ow en e e dt od e s i g na l le l e c t r i cc i r c u i t w h i c hh a st h ef u n c t i o nt oe n l a r g es i g n a l i tc a nm a k es u b s e q u e n tr e s e a r c hm o r e c o n v e n i e n t , a n dm a k et h er e s u l tc l e a r e r ；, t h ef o u r t h , t h eb i g g e s ta d v a n t a g eo ft h i s d e s i g ni st h ew a y t h a tw ec a nd e l i v e rs i g n a lt h r o u g haw i r e l e s st oc a r r yo nam o n i t o r t ot h eo i l e a n , b r e a k i n gl i m i t i n go fs p a c e w ea d o p tas i n g l es l i c em a c h i n et oc a r r yo u l n e e dt od e s i g nad i s t a n c ec o n t r o law i r e l e s st or e c e i v ea n dd i s p a t o h a n di no r d e rt o i m i t a t es i g n a l ，t e l e c o m m u n i c a t i o nn u m b e ra f t e re n l a r g i n gs os t i l ln e e dt od e s i g nt h e p r o c e d u r et h a tap a r to fa dc o l l v e r t ；i nt h ee n d ，f o rs e a r c h i n ge a s i l y ，p a s sv b a s i c i n t e r f a c et oa d j u s tt ou s et od e l i v e rt h ed a t ao fc o n t r o lr o o ma n du s i n gt h el e dt o s h o wt h ec u r r e n tv o l t a g e s s t u d yr e s u l t ：t h es y s t e mt h a tw ed e s i g nc a nc a r r yo u tc o m p l e t e l yt ob ea l lo i l e a n l e a ko i ls y s t e mt oc a r r yo nam o n i t o r a n dw ec 趾t h r o u g ht h ew a yt h a tt h ew i r e l e s s d e l i v e r sw i l lm o n i t o rar e s u l tt od e l i v e rt ot h ec o n t r o lr o o m , t h e nt h ed a t ac a nb e o p e r a t e do i lt h ev bi n t e r f a c eb yt h ea r t i f i c i a l k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rn a n s d u c e f ：n u m e r i c a la p e r t u r e ；p h o t ot r a n s l a t i n g ： o p e r a t i n gp l a t f o r m m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 鹕：寺睁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：辑导师签名：斜日期：j 孚咖 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题背景 本毕业设计为北京工业大学、天津南开大学与中国石化总公司天津分公司三 方合作的研发项目“石油储罐泄漏光纤检测自控装置开发”的研究内容。要求本 设计能够完成漏油探测、信号传输、信号处理和显示的完整光纤检测装置，并用 于企业的实际储油罐泄漏检测中。 石化企业的储罐区是企业生产、储存、运输过程中的重要环节，具有占地面 积广、布置密集和储存量大的显著特点。因其储存的物质大多具有易燃、易爆和 毒害性，属高能危害性操作单元。而石油液化气罐是石油罐区的组成部分，因储 存物品为压力液化或低温液化，一旦发生泄漏事故，液化石油气随风可弥散数千 米的区域，如遇明火或高温体便很难控制i l 】。因此，石油液化气一般是石油罐区 内的最高危险部位。 预防液化石油罐区事故的发生、降低事故规模以及减少事故产生的恶果是石 油企业安全工作的重心所在。以前在我国石油化工部门，对油品和化工产品等易 燃易爆液体类物质的储存、检测和安全管理一直是个难题。长期以来，大多企业 是采用人工对其进行检测和管理，劳动强度大，又有危险性，储罐爆炸事件和人 员伤亡事故时有发生。因此在这个项目中我们采取一个安全可靠的方法，考虑到 光信号在石油中是完全安全的。采用光纤作为传感头，将其置入石油储罐底部空 气夹层中。由于光纤头部在未接触到漏油和接触到漏油的情况下，端面对光的反 射率有很大变化，利用测定光纤反射光强的变化，便可测定探测点是否有漏油现 象发生。技术上实现比较容易。 大的石油储存场所往往拥有许多油罐，特别是在油罐较分散的情况下管理起 来比较麻烦。如果将每个油罐的多点检测信号都用光缆或电缆引入管理中心，其 结构复杂，而且缺乏灵活性。若考虑采用无线传输的方法传送检测信号，既方便 又简单，特别是在油罐增减或管理中心需要移动的情况下，更能显示无线传输的 优越性本毕设的研究工作就包括传感信号的无线传输部分。 当信号传送到中心控制室后，采用人工读取方式进行监控。因此，对于信息 北京丁业大学理学硕 ：学位论文 显示这方面要求就是要人性化、易操作。选用v b 系统是我认为最佳的，v b 系 统采用对话框显示方式，在手工操作时可以直接进行点击选择，十分方便。 1 2 光纤传感技术的发展概况 1 2 1 国内光纤传感技术应用的发展 光纤传感技术是伴随着光通讯技术和半导体技术发展而衍生的一种新的传 感技术，是光传感、光通讯、电子技术互相交叉、互相渗透的高科技技术，是国 家“十五”重点支持发展的信息产业的重要组成部分【2 j 。由于其信号传输是光，因 此具有本质防爆特性，并具有体积小、精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰强、可传距 离远以及操作简单、使用寿命长等一系列优点，特别是能在极端恶劣危险的环境 中工作，这在目前的实际应用中起着不可取代的作用 在我国，该技术的产业化已经给石油、化工工业的自动化计量和安全检测技 术带来重大变革：大大提高了冶金、化工、建材等行业高温测量的自动化检测水 平；为电力系统高压设备参数测量和安全监测提供新的手段；为特大型工程的长 期安全运行提供全新可靠的监测方法；还将带动和兴起一批为之配套的加工工业 和新型敏感材料、特种光纤等新材料工业的发展。其中光纤高温测量仪、光纤液 位传感器、光纤阀位回讯器p j 三大系列产品的生产技术已达到实用化程度，具有 极大的市场潜力，也己具备开发和批量生产的条件。产品技术已达到或接近国际 先进水平。 目前国内应用于石油产业最广泛的还是光纤液位传感器。基于全内反射原 理，可以设计成光纤液位传感器。该传感器可以测量容器中石油液面的高度。 1 2 2 国外光纤传感技术应用的发展 当然，国外在此项技术上比我国发展还要更早一些。自从1 9 7 8 年发明的在 光纤中形成光致布拉格光栅以来，光纤光栅( f b g ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 在光 纤通信和传感中已经大量应用。 美国、意大利、英国、德国等国家的学者通过长期的研究，将光纤光栅传感 技术广泛应用于桥梁建筑、航天航空、石油探测储量上。尤其在航天航空领域， 第1 章绪论 光纤光栅传感器具备体积小、重量轻、灵敏度高的特性，将其埋入飞行器或接收 塔中形成智能传感网络【4 】，对飞行安全方面的各个条件进行实时监测。波音公司 在此领域内作了许多的研究，并取得过多项专利。 并且国外光纤传感技术应用在军工领域也有很大的成就。军事领域要求信息 传输必须是灵敏、精确、可靠的，光纤传感器完全满足要求。光纤陀螺是航空航 天以及各种导弹制导系统中广泛使用的光纤传感器，美国从1 9 7 6 年就开始研制 光纤陀螺，目前己取得了漂移率为每小时仅为o 0 1 度的优异成果，并已投放市 场销售。光纤水听器是海军鱼雷和声纳系统中最常用的侦察潜艇、舰船的光纤传 感器。它与传统的陶瓷、晶体水听器相比具有灵敏度高、无需复杂阻抗匹配技术， 不易受环境影响、抗潮湿、抗干扰能力强等优点，因而广泛应用于声纳和反潜系 统中。 1 2 3 较前人技术的创新 预防液化石油罐区事故的发生、降低事故规模以及减少事故产生的恶果是石 油企业安全事业的工作重心所在。以前在我国石油化工部门，对油品和化工产品 等易燃易爆液体类物质的储存、检测和安全管理一直是个难题。长期以来，大多 企业是采用人工对其进行检测和管理，劳动强度大，又有危险性，储罐爆炸事件 和人员伤亡事故时有发生，因此在这个项目中我们采取一个安全可靠的方法。考 虑到光信号在石油中是完全安全的，采用光纤作为传感头，将其置入石汕储罐底 部空气夹层中，光纤头部在未接触到漏油和接触到漏油的情况下，端面对光的反 射率有很大变化，利用测定光纤反射光强的变化，便可测定探测点是否有漏油现 象发生，技术上实现比较容易。用光纤制成的漏油检测传感器可以对石油进行 直接的接触测量，即安全可靠、便于远距离遥测，又避免了电传感器在测量中所 引入的不安全因素，是一种非常有实用价值的光纤传感器。 前人的技术与我们现在的设计原理基本上是一致的，都是利用光纤对不同物 质折射率不同的性质然而我们的技术较之前人的应该说是更加的成熟。首先， 国内外还没有一个项目是使用光纤对石油贮存罐是否漏油进行监测。这是一个创 新点。其次，我们并不是运用光缆等有形的信道来传输信号，而是使用无线的技 术来实现。打破了空间的限制，使基地的中心控制室可以在任意时刻对任意位置 3 北京工业大学理学硕l ：学位论文 的油罐进行监测运用更加广泛。 4 第2 章光纤传感器检测原理 2 1 光纤简介 第2 章光纤传感器检测原理 光纤是。光导纤维”的简称，它是一种介质圆柱光波导。所谓“光波导”是 指将以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束并引导光波在其内部 或表面附近沿轴线方向传播的传输介质1 5 1 。通常，它是由高纯度的石英玻璃掺杂 少量杂质如锗( ge ) 、硼( b ) 、磷( p ) 等元素制成的细长圆柱形材料，它细 如发丝，通常直径为几微米到几百微米。 光纤是一种多层介质结构的对称柱体光学纤维，它一般由纤芯、包层、涂敷 层与护套构成，如图2 一l 所示。 茈 2 2 光纤传感原理 2 2 1 引言 由于光纤传感器及技术具有较其它传感器无法比拟的特点，所以近几年来， 光纤传感器与测量技术发展很快，而新型光纤传感器不外乎有以下特点： 北京工业大学理学硕十学位论文 光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗很小，目前损耗能达到0 2 搠的水平。 光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。 光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性 以及远距离测量。 还具有灵敏度高、可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高压、电绝缘性能好、 防爆、频带宽、损耗低等特点 6 1 。同时，它还便于与计算机连接，实现智能化和 远距离监控对传统的传感器起到扩展提高的作用。不少情况能够完成传统传感 器很难完成的任务正是由于光纤传感器具有许多独特优势，可以解决许多传统 传感器无法解决的问题，故自从它问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、 机械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各个领域。 2 2 2 光纤传感器的组成与类型 光纤传感器包括光纤传感及检测系统中的被测参量探测部分。完整的光纤传 感及检测系统一般是由光源、接口、光导纤维、光调制机构、光电探测器和信号 处理系统等部分组成，如图2 - 2 所示。来自光源的光线，通过接口进入光纤，然 后将检测的参数调制成幅度、相位、色差或偏振信息m ，最后利用微处理器进行 信息处理。其中，光源、入射光纤、调制器和出射光纤构成了光纤传感器部分。 被测量 图2 - 2 光纤传感器基本图 f i 9 2 - 2t h es t r u c t u r eo fo p t i c a l - f i b e rs e n s o r 光纤传感器一般分为两大类：一类足传光型，也称非功能型光纤传感器；另 第2 章光纤传感器检测原理 一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。前者多数使用多模光纤，以传输更多 的光量；而传感型光纤传感器，是利用被测对象调制或改变光纤的特性，所以在 大多数情况下采用单模光纤。 ( 1 ) 传光型 利用光纤的低损耗和直径细微的特点制成的传感器，称为传光型光纤传感 器。这种传感器中光纤只被当作传光的媒介，只起到传光的作用。对待测对象的 调制功能是依赖其它无力性质的敏感元器件来实现的【8 】。对于传光型传感器，必 须在光纤端面加装其他传感器才能构成传感器，通常是通过光纤干涉仪来实现 的，这类光纤传感器可以监测温度、压力、应力等无力量。 ( 2 ) 传感型 利用光纤与光波本身受被测对象影响而发生变化的特性制成的光纤传感器， 称为传感型传感器。它利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能这 一特性而开发的传感器，光纤在被测对象的作用下，光的强度、相位、偏振态等 光学特性得到了调制。这种传感器可做成能在整个连续光纤的长度上以距离的连 续函数形式传感出各对应位置被测参数的传感器，因此也称为分布式光纤传感 器。在分布式光纤传感系统中，光纤既是传输媒体，也是传感媒体。 2 3 光纤传感器的检测原理 本课题采用的光纤传感器属于传感型光纤传感器，两根并起来的尾纤端面即 为敏感头。当光传到敏感头的端面时，会有一部分光被反射回去，并经耦合器输 出到光电转换器上。反射光的强度大小取决于敏感头端面外的介质是空气还是漏 油。定量分析反射光的状况可以运用菲涅尔反射率公式 艺：尘型三螋 ( 2 - 1 ) 。9 啊c o s 谚+ 月c o s o , 茸：尘型生螋 ( 2 2 ) 疗lc o s o , + n ，c o s e , 式中昂和l 分别为电场的平行分量和垂直分量的反射率，皿和皿分别为纤芯和 光纤端面外介质的折射率，口，和g 。分别为光纤端面纤芯一侧的光入射角和纤芯 外侧的光透射角伽。以上参量的分布情况可参考图2 3 。 一7 北京工业大学理学硕士学位论文 n 缸太 l e h 夕执 光纤端面 外测 a 乙e t h i 、 暑光的参考方向 e b 邑 叭纤芯 、 警 光纤端面 外测 b 、 f e p 光参考方向 图2 - 3p 、s 光参考方向 f i g2 - 3r e f e r e n c ed i r e c t i o no fp 、s 由于本设计所采用的光纤为单模光纤，所以光入射角可近似视为0 度，即 只。q2 0 ( 2 一1 ) 一( 2 2 ) 式变为： 一巧= 弓2 而n 2 - - n i ( 2 3 ) 反射光强为： i ，= 盯 ( 2 4 ) 设纤芯的折射率n j = - - 1 5 ，将光纤端面外介质的折射率 t 视为变量( 最小值 等于1 ) ，根据( 2 - - 4 ) 式的关系，绘出反射光强随光纤端面外介质的折射率变 化的关系曲线，如图2 - - 4 所示 空气的折射率近似等于1 ，油的折射率约等于1 5 ，从图2 - - 4 可以看出，没 有漏油和漏油相比，光强反射率相差很多。正常情况下，传感器可输出较强的光 强，而漏油时，输出光强几乎等于零。依此结果，我们可以判断油罐是否发生泄 漏。 折舯事n 图2 4 反射光强与折射率皿的变化关系曲线 f i g2 - 4t h ec u r v eo fr e f l e c t i o ni n t e n s i t ya n dt h er e f r a c t i v ei n d e x h 第2 章光纤传感器柃测原理 2 4 光纤传感器的传感实验 依据中石化天津分公司的实际需要，一个油罐所使用的光纤传感器必须能够 实现多点分布式传感，设定为3 2 个漏油被测点。图2 5 所示为单路漏油测试流 程，整个系统由3 2 个这样的点组成。我们使用的光耦合器为l ：l 的x 型光纤 耦合器。光源( l d ) 发出的光经过5 级6 3 个这样的光耦合器分路后，能量均匀 分配到3 2 对光纤终端。我们将同一耦合器末端的光纤并为一个感应头共同探测 一个被测点。最后每一个耦合器都引出一根传感光纤输出光信号，分别连接到 p i n 光电二极管上，转变为电信号，再进行信号处理。 图2 5 单路漏油测试流程 f i g2 - 5s i n g l e = r o u t el e a k a g et e s t i n gp r o c e s s 为了确保系统的可操作性，我们设计了一个模拟单路漏油检测实验。实验中 使用了一个1 ：l 的x 形光耦合器。 首先，我们要将光耦合器同侧的两根光纤端处外的护套去掉，然后再去掉涂 层。此项工作一定要小心进行，一旦用力过大会造成光纤折断。准备工作就绪后， 用光纤切割机切割光纤端面。由于光纤的端面必须严格垂直于光纤轴线，否则反 射光会很弱，更加不易测量。因此切割时一定要注意锁紧光纤。 其次，将光耦合器另一侧的一根光纤前端连接到光源( l d ) 上，另一根连接 到光谱仪上。模拟测量结构类似图2 5 的情况，只是将图中的p i n 光电二极管换 成了光谱仪。然后将切好光纤并为一个探头暴露在空气当中，模拟当油罐没有发 生漏油时空隙中只有空气的情况。光谱仪显示如图2 - 6 所示。 o 北京工业大学理学硕上学位论文 图2 - 6 空气中反射光的光谱 f i g2 6 a j r s p e c t r a lr e f l e c t a n c e 第三步，为了简便，我们使用水来代替石油。最初我们只将并为一个探头中 的一根光纤放入水中，发现变化很微弱，测试结果不是很理想。光谱仪显示如图 2 - 7 所示 图2 - 7 单根光纤放在水中的反射光谱 f i g 2 - 7t h es p e c t r a lr e f l e c t a n c eo f s i n g l eo p t i c a lf i b e ri nw a t e r 因此，为了增强对比度，使输出光强差别更加明显，我们将两根光纤并在一 第2 章光纤传感器检测原理 起作为一个探头测试。反射光探测不出来了，光谱仪显示如图2 - 8 所示。 图2 8 两撤光纤放入水中的光谱显示情况 f 追2 8t i l es p e c t r a lr e f l e c t a n c eo ft w oo p t i c a l f i b e r si nw a t e r 最后，为了让差别更加的明显，我们通过设置不同的通道础k b c ，然后 再对三种不同情况进行锁定及保存。在同一张图上显示了三种现象，证明了将两 根光纤并为一个探头的做法是最为合理的。显示结果见图2 9 ( 黄上一空气中，蓝中一根置于水中，绿下一两根置于水中) 图2 - 9 三种不同情况的光谱 f i g2 - 9t h es p e c t r a lr e f l e c t a n c eo f t h r e ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s 北京工业大学理学硕士学位论文 2 5 本章小结 在本章的开始，我们首先简要地介绍了光导纤维的结构及其优点，然后重点 介绍了光纤传感器的组成及其传导原理，并在此基础上详细地介绍了我们所搭建 的光纤传感器漏汕监测装置，并且利用光谱仪的显示结果制定出最佳的光纤探头 的制作方法，为下一步的工作打下了坚实的基础。 第3 章传感信号的光电转换与电路放大 第3 章传感信号的光电转换与电路放大 根据用户的意见，要求对油罐泄漏检测系统的控制尽可能方便、灵活要达 到这一目的，选择哪种信号传输方式显得十分重要。达成共识的是考虑采用无线 信号传输系统，因为这样可以任意增减和改变被测点的数量，而且还可以任意移 动监测控制中心的位置。 无线信号传输是电域中的技术，在传输前必须将光纤传感器探测的光信号转 变为电信号。一般，经光电转换获得的电信号都很微弱，还需进行放大处理。也 就是说，光电转换和信号放大是无线传输前的准备工作。 3 1 光电转换 光纤传感器将探测的反射光传感信号输出，并进入信号处理系统。成熟的信 号处理目前都是在电域进行，所以首先须将光信号转变为电信号常用的光电转 换器件是p n q 光电二极管。 3 1 ip n 结的形成及工作原理 图3 1p 区与n 区中载流子的扩散运动 f i g3 一l t h ec a r r i e r sd i f f u s i o n hpd i s t r i c ta n dnd i s t r i c t 北京工业大学理学硕十学位论文 n 型半导体特点是，内部自由电子浓度大于空穴的浓度；p 型半导体与之相 反。将两种半导体制作在一起时，在它们的交界面上，两种载流子的浓度差很大， 因而p 区的空穴必然向n 区扩散，同时n 区的自由电子也必然向p 区扩散1 9 j ( 如 图3 1 所示) 。由于扩散到p 区的自由电子与空穴复合，而扩散到n 区的空穴与 自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度均有下降。p 区出现负离子区，n 区出现正离子区，它们是不能移动的，称为空问电荷区【，从而形成内电场( 如 图3 - 2 所示) 随着扩散运动的继续进行，空间电荷区加宽，内电场增强，其方向由n 区 指向p 区，恰好阻止扩散运动的进行。这种在电场力的作用下的载流子运动，称 为漂移运动。达到一种动态平衡的状态。 当电源正极接到p 端，且电源负极接到n 端时，称为p n 结外加正向电压 此时外电场将多数载流子推向空阃电荷区，使其变窄，削弱了内电场，破坏原有 的平衡，使扩散运动加剧而漂移运动减弱。形成正向电流，p n 结导通，处于工 作状态。然而当p n 结外加反向电压时，区内完全没有自由载流子，原有的空间 电荷区变为耗尽区并存在有一个高的内建电场阻止电子从n 区流到p 区如 此时有光照射p n 结的一边，就通过吸收光子而产生了电子一空穴对，并在高的 内建电场作用下，耗尽区内产生了正比例于照射光功率的电流流动【n 】这样，一 个反偏的p n 结就构成了p n 光电二极管。 o o 。o o q oo o o o 。苔oooo ooo p 区n 区 一空问电荷区+ 图3 2 平衡状态下的p n 结 f i g3 - 2p - nj o i n ts e c t i o ni nt h eb a l a n c es t a t u s 第3 章传感信号的光电转换与电路放大 3 1 2 p i n 光电二极管的结构及工作原理 图3 - 3p i n 结构 f i g3 - 3t h es t r u c t u r eo f p i n 在p n 光电二极管的p n 结问插 入一层本征或轻掺杂半导体材料， 形成了i 区( 如图3 3 所示) 。这样， 就可增大耗尽区的宽度，达到减小 扩散运动的目的，提高响应速度。 同时，i 区还可吸收大量光能。 p i n 的工作原理与p n 光电二极管类似。给光电二极管外加反向电压，并 用光照射p i n 【。i 结区吸收光能，形成了新的电子一空穴对( 电子由低于费米 能的价带吸收光能越迁到导带形成光电子) 。在外加电场的作用下，光电子向n 区漂移，空穴向p 区漂移形成光电流【1 3 1 。且光电流的大小与照射光的强度成正 比。 3 1 3 传感信号的光电转换 上面谈到，p i n 光电二极管在工作时要加反向电压，实际上这个反向电压就 是一个初始偏置，目的是为了光电转换能进入一个线性区域内。根据课题的实际 使用状况，对线性转换的要求并不严格，因为无漏油和有漏油是我们注重探测的 两个极端，中问变化过程的线性度并不是我们最关心的内容。为简化装置，我们 省略了对p i n 光电二极管的反向偏置电路，直接让其进行光电转换。 3 2 电路放大 由于光电二极管产生的光电流较小，所以在这里我们须首先进行放大处理。 我们选用l m 2 2 4 四运算放大器对电信号进行放大。 3 2 1l m 2 2 4 芯片的特性与结构 l m 2 2 4 是由四个独立的运算放大器组成的集成四运放，它具有高增益、内 部频率补偿的特性。它能将一个信号处理后放大到一个更宽的电压范围上。 一1 5 北京工业大学理学硕士学位论文 我们之所以选择l m 2 2 4 通用四运算放大器，其优势在于： 1 ) 单片构造，由四个独立而性能相近的电路组成 2 ) 具有很宽的增益带宽：1 3 m h z 3 ) 最大电压增益：1 0 0 姻 4 ) 可单电源工作：+ 3 弘+ 3 0 v , 不需要再接入负电压 6 ) 可以实现将几十微瓦强度的信号放大，对于很弱的信号放大性能依然很 明显 7 ) 成本低：由于在此实验中，我们对于放大电路在干扰、噪声、线性等方 面要求并不严格，价格低廉的l m 2 2 4 足以满足，降低了成本 芯片外引脚连接如图3 - 4 所示： o i i i p q t l l 1 m * i t i 口g i 碑i1 2 n 抽i 血g 姊吐13 址c + 4 咖啦坤m 2 ， h 血g 姆毗2 6 o 叩眦2 7 1 4 o 鸣哦4 1 3h i 鸣坤m 4 1 2n o a - m 吨砷严t 4 l i ：c i o 硒n 鱼 ，吨i 掣t t 3 9 h 血g 坶m 3 i o l 印皿3 图3 _ 4l m 2 2 4 外引脚连接图 f i g3 - 4f o r e i g np i nc o n n e c t i o ng r a p h 4 号引脚为正极电压输入端口，驱动芯片l m 2 2 4 工作。l l 号引脚为接地引 脚编号为l 、2 、3 的外引脚均属于第一个放大器，编号为5 、6 、7 的外引脚均 属于第二个放大器，编号为8 、9 、1 0 的外引脚均属于第三个放大器，编号为1 2 、 1 3 、1 4 的外引脚均属于第四个放大器。其中编号为l 、7 、8 、1 4 号的外引脚为 输出端，编号为2 、6 、9 、1 3 号的外引脚为反向输入端( 或称为负反馈端) ，编 号为3 、5 、1 0 、1 2 号的外引脚为正向输入端l ”j 。 第3 章传感信号的光电转换与电路放大 3 2 2 放大电路设计及工作原理 图3 - 5 放大电路图 f i g3 - 5t h ec i r c u i to f a m p l i f i e r 如图3 5 所示，放大器是由l m 2 2 4 构成的同相放大器。为说明原理，图中 只给出四运放中一路运放的结构。 p i n 光电二极管将光信号转变为电信号输送到放大器的同相输入端实际使 用的p i n 是带尾纤的，信号光可以直接通过光纤耦合到p i n 上，十分方便，耦 合效率也很高。钽电容器c l 起滤波作用，可以把信号中的高频干扰杂波滤掉， 并使输入信号稳定【阍。 参看图3 5 的参量，同相放大器的输出电压计算公式为： u 0 = ( 1 + r i r ) u ( 3 - 1 ) 将电路中相关参数带入公式计算可知，该放大电路的放大倍数约为2 0 0 倍， 满足项目要求。电容器c 2 的作用是使输出信号稳定，减少外界的干扰。输出端 并接了一个阻值范围为0 到5 七的可调电阻，可以根据需要调整输出电压的大小。 在实际工程调试中我们发现，在将输入光功率值调整为零时，经过放大器连 接到示波器上所显示出的电压值并不为零，仍然有输出，这种情况的发生可能是 p i n 的漏电流造成的。为了消除影响，我们在放大器的正相输入端与地之间并接 一个阻值为2 0 k 的电阻，使输入光强为0 时保证输出电压也为0 。2 0 k 的阻值是 一个典型值，对于每一路p i n 与放大器的耦合，该阻值都需要认真反复实验优选， 直到所选参数既能克服p i n 漏电流的影响，又能保证放大电路的高灵敏度为止。 图3 - 5 只给出了一路放大器的结构，实际电路是3 2 路放大器，共由8 片 l m 2 2 4 组成。单个放大器电路连接图见图3 - 6 ，全局图见3 7 所示。此两个图是 1 7 北京t _ , l k 大学理学硕上学位论文 我们使用p r o t e l 9 9 软件绘制的。经过加工后，我们可以直接在电路板上面焊接电 予元器件。 图3 64 路放大器电路板结构图 f i g3 - 64 - c h a n n e la m p l i f i e rc i r c u i tb o a r d s c h a r t 图3 73 2 路放大器电路板结构图 f i g3 - 73 2 - c h a n n e la m p l i f i e rc i r c u i tb o a r d s c h a r t 1 8 一 第3 章传感信号的光电转换与电路放大 3 3 本章小结 在本章的开始，我们首先简要介绍了光电转化在本系统中的重要作用，接下 来介绍了光电转换装置p i n 光电二极管的结构及其工作原理，然后又详尽的介绍 了电信号放大装置l m 2 2 4 的结构及工作原理以及在此基础上设计出来的漏油测 试系统的3 2 路放大电路。 1 9 第4 章无线传输系统 第4 章无线传输系统 数据通信是指通过某种类型的传输介质在两地之间传送数据二进制位串的 过程。数据通信是人与计算机或计算机与计算机之间的信息交换过程，通信双方 至少有一个是计算机。通常，一个数据通信系统至少应包括4 个部分：数据、数 据终端设备、数据电路终端和通信链科1 6 1 。如图4 1 所示。 图4 - 1 数据通信系统基本构成 f i g 舢1t h es t r u e m r eo f d a t ac o m m u n i c a t i o n 随着科学技术日益向高速化、智能化、信息化、网络化发展，各种各样的制 造业和通信业设备除了可以与计算机联机外，还可以相互联机，而实现设备问相 互连接的最具发展潜力的方式就是无线通信，与有线通信方式相比，无线通信具 有一系列优点，特别适用于手持现场设备、电池供电设备、遥控遥测设备、水文 气象监控设备、生物信号采集系统、工业数据采集系统等1 1 7 1 。为了提高油罐泄漏 检测系统的灵活性，比如油罐可以任意增减，测试中心可以任意移动，在本实验 中我们采用了无线信号传输技术。本试验基于挪威n o r d i c v l s i 公司最新推出的 单片无线收发一体芯片n r f 9 0 5 设计出多功能无线数传模块：具有标准r s 2 3 2 c 和r s 4 8 5 接口通信模块，设计的多功能无线数传模块由基于n r f 9 0 5 的高频头和 标准通信接口模块组成。n r f 9 0 5 是挪威n o r d i c v l s i 公司推出的单片射频收发 器，工作电压为1 9 3 6 v , 3 2 引脚q f n 封装( 5 5 m 肌) ，工作于4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z 三个i s m ( t 业、科学和医学) 频道，频道之间的转换时间小于6 5 0a u $ 。n r f 9 0 5 由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加 声表滤波器，s h o c k b u r s t t m 工作模式，自动处理字头和c r c ( 循环冗余码校验) ， 使用s p i 接口与微控制器通信，配置非常方便。此外。其功耗非常低，以1 0 d b m 北京工业大学理学硕士学位论文 的输出功率发射时电流只有l i m a ，工作于接收模式时的电流为1 2 5 m a ，内建空 闲模式与关机模式易于实现节制嘲n r f 9 0 5 适用于无线数据通信、无线报警及 安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。 本系统是一个小型的分布式数据采集与控制系统，是由数据采集工作站( 下 位机) 和中心计算机( 上位机) 组成的控制系统。其中数据采集工作站又由相应 的传感器模拟量输入输出通道所组成。工作站既可以独立完成信息的采集、预处 理及存储任务，又可接受从中心计算机送来的控制参数设置，从而按照不同要求 来进行采集。上位机系统将工作站送来的数据即时在线的用动态数据、曲线的方 式显示出来，并存储在相应的数据库中，对存储起来的数据，按研究需求，进行 分析、统计，可显示、打印成表格或曲线或直方图，同时系统机也向下级机传递 控制。 本章简单介绍了n r f 9 0 5 的功能，并详细介绍了该收发器如何与单片机连接 及编写的程序。 4 1c 8 0 5 1f 0 2 0 芯片简介 本试验中，我们采用了美国德州c y g n a l 公司推出的一种混合信号s o c ( 片上 系统1 型8 位单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 ( 简称f 0 2 0 ) 它属于c 8 0 5 1 f 系列中的f 0 2 x 子系 列。其性能价格比在目前应用领域极具竞争力。该系列在许多方面己超出当前8 位单片机水平。它是完全集成的混合信号级m c u 芯片，具有“个数字i o 引脚 它拥有真正1 2 位、1 0 0 k s p s 的8 通道a d c ，带p g a 和多路模拟开关。它有6 4 k 字节可在系统编程的f l a s h 存储器，4 3 5 2 字节的片内r a m , 可寻址6 4 k 字节地 址空间的外部数据存储器接口，5 个通用的1 6 位定时器，具有5 个捕捉比较模 块的可编程计数器，定时器阵列及片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器。 其每个m c u 都可在工业温度范围( - 4 5 c 到+ 8 5 c ) 内用2 7 v - 3 6 v 的电压工作。端 口引脚都允许5 y 的输入信号电压【1 9 1 它为1 0 0 引脚的t q f p 封装。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机具有很强的控制功能，这里不做详细介绍本实验中涉及 的基本功能主要包括：看门狗定时复位、时钟初始化、i o 口初始化、a d 转换、 串1 3 通信等1 2 0 1 第4 章无线传输系统 4 1 1 禁止看门狗定时器 c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机内部有一个使用系统时钟的可编程看门狗定时器( 、) n 。 w d t 是一个2 1 位的使用系统时钟的定时器。该定时器测量对其控制寄存器的两 次特定写操作的时间问隔。如果这个时间间隔超过了编程的极限值，将产生一个 w d t 复位1 2 ”。可以根据需要用软件允许和禁止w d t ，看门狗的功能通过看门 狗定时器控制寄存器( w r c 控制。 在本程序中将看门狗定时器设置为永久禁止状态： w d t c n = o x d e ； w d t c n = o x a d ； 向w d t c n 寄存器写入0 x d e ，再写入0 x a d 将永久禁止w d t 。 4 1 2 时钟初始化 c 8 0 5 1 f 0 2 0 的时钟由o s c i c n 寄存器控制，它是一个8 位寄存器。 o s c x c n = o x 0 4 ； 定义其值为0 0 0 00 1 0 0 。位3 为系统时钟源选择位，置为低，选择内部振荡 器作为系统时钟1 2 2 1 位2 为内部振荡器允许位，置为高，允许内部振荡器。位 1 - 0 为内部振荡器频率控制，其值为0 0 ，选择内部振荡器典型频率2 m h z 。 4 1 3i l o 口初始化 c 8 0 5 1 f 0 2 0 有按8 位端口组织的6 4 个数字i o 引脚低端口( p 0 、p i 、p 2 和 p 3 ) 既可以按位寻址也可以按字节寻址。高端n 0 4 、p 5 、p 6 和p 7 ) 只能按字节寻 址。所有引脚都耐5 y 电压 2 3 1 ，都可以被配置为漏极开路或推挽输出方式和弱上 拉。在这里，我们仅使用其低端口。 ( 1 ) 配置端口引脚分配 f o 端口的配置并不复杂，只要向寄存器x b r 0 ，x b r l 和x b r 2 装入正确 的值，就可以选择设计所需要的i o 功能。然后将x b r 2 中的x b a r e ，即位2 置1 ，就可允许功能选择开关。对于给定的x b r n 设置，可以使用优先权译码电 路确定i o 引脚分配。 2 3 北京工业大学理学硕i ：学位论文 ( 2 ) 配置端口引脚输出方式 低端口引脚的输出方式由p n m d o u t 寄存器中的对应位决定。 每个端口引脚的输出方式都可被配置为漏极开路或推拉方式，默认状态为漏 极开路 2 4 1 。通常在端1 3 作为数