光纤温度传感器的设计

东北石油大学 课 程 设 计 201 年 月 课 程 传感器课程设计 题 目 光纤温度传感器的设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 任务书 课程课程 传感器课程设计传感器课程设计 题目题目 光纤温度传感器的设计光纤温度传感器的设计 专业 姓名 学号 主要内容 主要内容 本次传感器课程设计拟设计一个光纤温度传感器系统 整个系统包括对温度进 行采集的光纤温度传感器 将光信号转换成电信号的转换电路 以及电信号最终送 至由 52 单片机为主体构成的信号处理部分 最终根据程序设定的要求 通过本次设 计的系统完成相应操作 基本要求 基本要求 1 光纤温度传感器能准确测量温度 尽量减少信号延迟 2 转换电路中的光敏电阻能准确将光信号转换为电信号 3 成功搭建单片机最小系统 完成对信号的控制 主要参考资料 主要参考资料 1 刘国钧 陈绍业 王凤翥 图书馆目录 M 北京 高等教育出版社 1957 15 18 2 刘润华 刘立山 模拟电子技术 J 自动化仪表 2005 6 21 23 3 宋文绪 杨帆 传感器与检测技术 M 高等教育出版社 2007 29 31 4 刘瑞复 史锦彭j 光纤传感器及其应用 M 北京 机械工业出版社 1997 69 87 完成期限 指导教师 专业负责人 2012 年 6 月 25 日 传感器课程设计 摘 要 光纤温度传感器采用一种和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂覆在二根 熔接在一起的光纤外面 本设计完成的是遮光式光纤温度计的设计 传感器以光 纤为传输手段 以光作为信号载体 抗干扰能力强 测量结果稳定可靠 当温度 升高时 双金属片的变形量增大 带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光 强发生变化 则出射光强将随温度的变化而变化 这种形式的光纤温度计检测精 度约为 0 5 它的缺点是输出光强受壳体振动的影响 且回应时间较长 一般 需几分钟 关键字 光纤 传感器 光纤传感器 光纤温度传感器 传感器课程设计 目 录 一 设计要求一 设计要求 1 二 方案设计二 方案设计 1 1 方案一 1 2 方案二 1 三 传感器工作原理三 传感器工作原理 2 四 光纤温度传感器电路图四 光纤温度传感器电路图 2 五 五 单元电路设计 参数计算和器件选择单元电路设计 参数计算和器件选择 3 1 单元电路设计 3 2 参数计算 5 3 器件选择 5 六 总结六 总结 6 七 七 参考文献参考文献 8 传感器课程设计 0 光纤温度传感器的设计 一 设计要求 本设计完成的是遮光式光纤温度计的设计 传感器以光纤为传输手段 以光 作为信号载体 抗干扰能力强 测量结果稳定可靠 当温度升高时 双金属片的 变形量增大 带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化 则出射 光强将随温度的变化而变化 二 方案设计 在温度信号的监测控制方面 有多种类型的传感器可以使用 其中包括 热电偶传感器和光纤温度传感器 本次设计拟从以下两种方案考虑 1 方案一 利用热电偶传感器作为采集温度的装置 将采集的到的数据经温敏二极管 冷端补偿电路后 再经由运算放大器将信号放大后送入A D 转换芯片 最终 将处理后的信号送入 单片机进行信号处理 原理如图 1 所示 2 方案二 利用光纤温度传感器作为温度采集的装置 采用探测信号与传输信号两部 分分开的非功能型 经由光纤作为传输介质 光信号经过信号转换电路转换为 电信号后 经过 A D 转换电路后送入单片机进行信号处理 原理如图2 所示 8051 单 片机 运放 温敏二极管冷端 补偿电路 热电偶A D 转换 图 1 方案一原理框图 传感器课程设计 1 通过方案比较 由于方案 一中还需要 温敏二极管冷端补偿电路 电路比较 复杂 而方案二使用的是光线温度传感器 此类传感器以光纤为传输手段 以光 作为信号载体 抗电磁干扰 电绝缘 本质安全灵敏度高重量轻 体积小 外形 可变测量对象广泛对被测介质影响小可以进行连续分布测量 便于复用 便于成 网 通过比较采用方案二 三 传感器工作原理 本次课程设计设计的是遮光式光纤温度计 当温度升高时 双金属片的变 形量增大 带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化 在光纤中传输的单色光波可用如下形式的方程表示 1 cos 0 tEE 式中 E0是光波的振幅 是角频率 为初相角 该式包含五个参数 即强度 E02 频率 波长 2 c n 相位 t 和 偏振态 光纤传感器的工作原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参 数 使其随之变化 然后对已知调制的光信号进行检测 从而得到被测量 因此这是一种利用被测量的变化引起光纤中的光强发生变化的光纤传感器 光纤温度传感器通过输出的光纤将光信号作用于信号转换电路的光敏电阻上 光敏电阻根据光强不同有不同的电阻值 从而通过电阻分压 将光信号转换为电 信号后送至单片机的 A D 转换器完成对温度的测量 四 光纤温度传感器电路图 光纤温度传感器将光强大小传输至光线传感器 光线传感器采用高灵敏度光 敏电阻 线性比较好 尤其在室内环境下 且阻值随外界物理量的变化较明显 8051 单 片机 A D 转换 敏感 元件 光纤 信号转换电路 图 2 方案二原理框图 传感器课程设计 2 因而可省去中间放大电路直接与单片机 IOA1 端口相连 光线温度测量电路如图 所示 整个电路由 5V 电池供电 2V 的稳压管为 A D 转换电路提供 2V 基准电压 可调电阻 R1 用来校准由温漂和电源电压降低引起的基准电压降低 R2 与 R3 串 联 光线强度的变化通过分压值的变化反应 并输到单片机 P27 端口 进行 A D 转换 P27 端口设置为悬浮输入口 在单片机中定义变量 iLM 光线测量得到的 电压数放在 iLM 中 并根据它判断光线强弱 每 1ms 取一次 A D 转换数据 共 取 10 次是为在 100Hz 的自然光的一个周期中都能取到数据 取 10 次测量平均值 查表得到光强 温度测量与光线测量原理基本相同 该模块电路如图 3 所示 5 单元电路设计 参数计算和器件选择 1 1 单元电路设计 单元电路设计 温度采集部分 温度采集部分 传感头主要由多模光纤与金属构件组成 金属零件随温度高低不同产生形变 也不一样 加载在零件上光纤弯曲损耗大小随之改变金属件受到温度越高 形变 越大 在光源输出光功率稳定情况下 光纤弯曲损耗增加时 探测器接收到的光 功率就会减小 反之 接收到的光功率增大 当传感头处的温度场发生变化时 图 3 光纤温度传感器电路图 传感器课程设计 3 通过探测器将接收到的不同光信号转换成电信号 进一步处理 计算 输出外界 的温度值大小 金属零件在热变形时 其变形量不仅与零件尺寸 组成该形体的 材料线膨胀系数 环境温度t 有关 而且与形体结构因子 取决于几何参数 有关 为了提高传感器的灵敏度 温度敏感头金属材料需选用膨胀系数较大的 且膨胀 系数在整个温度测量区间要较稳定 有较好重复性 温度敏感头的结构形状也要 考虑的另一个因素 不同的形状 对灵敏度影响很大 传输部分 传输部分 光纤在这里不仅要作为转换器件使用 同时也作为光信号传输载体 选用对 弯曲损耗更敏感的多模光纤 一般地采用62 5 125 m 标准的多模光纤 由于加 载光纤时要施加一定的张力控制 使得光纤缠绕在金属零件上 光纤本身就比较 容易损坏 敏感头处光纤长时间受到一定内应力用 必须对光纤的涂层进行加固 耐力用 必须对光纤的涂层进行加固耐磨处理 增加传感器使用的可靠性 传感器课程设计 4 图 6 信号处理电路 A D转换电路转换电路 利用A D转换装置将经过调理后的信号转化成能被单片机识别的信号 而 A D转换的转换频率由单片机上的一个引脚提供 如图4所示 信号转换电路 信号转换电路 温度使金属片形变后 改变了光强的大小 光纤将随时改变的光强传输至光 敏电阻 通过电阻分压 将不同的光强转换为不同大小的电压值输入A D转换芯 片 如图5所示 信号处理部分 信号处理部分 图 4 A D 转换电路图 5 信号转换电路 传感器课程设计 5 信号处理部分主要由数字处理电路组成 数字电路处理使用的美ATMEL公 司生产AT89C52 单片机 是一块具有低电压 高性能CMOS 8 位单片机 片内 含8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和256bytes 的随机存取 数据存储 RAM 全部采ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 与 标准MCS 51 指令系统及8052 产品引脚容 片内置通用8 位中央处理器 CPU 和Flash存储单元 功能强大 A D 转换采用AD 公司生产的12 位 D574A 芯片 转换时间位25 s 数字位数可设定为12 位 也可设为8 位 内部 集成有转换时钟 参考电压和三态输出锁存 可以与微机直接界面 由于温度的 变化引起光强的变化不是线性的 因此我们采用查表法对其测量值进行线性补偿 2 2 参数计算 参数计算 金属体积随温度的变化 在这里采用传统的公式模拟来计算 2 20 1 CtLL o t 式中 Lt 温度t 时的尺寸 L 20 时的尺寸 线膨胀系数 其数学 表达式比较复杂 可选用平均线膨胀系数 经过查表可知 线膨胀系数 选用 成本较低 加工容易 导热较快 并且满足使用范围的金属材料铝 23 光纤的参数 采用标准梯度多模通信光纤 光纤芯包比为62 5 125um 数值 孔径O 27 单向平均传输损耗为3 1dB km 入射角的最大值 3 2 2 2 1 0 0 1 sinnn n i 试中n1 n2 n3分别为空气 纤芯 包层的折射率 3 3 器件选择器件选择 转换电路的分压电阻 分别为10K 300 50K 稳压管VD5 1 R 2 R 3 R 为2V A D转换芯片采用型号为ADC0804 参考电压输入端口的外面接两个1K 的 电阻分压 单片机选用ATC89S52型号 晶振为11 0592MHz并连接两个30pF的瓷片电容 复位电路使用1K 电阻和10uF的电解电容 系统需要的元器件清单 表 1 元器件清单 传感器课程设计 6 序号元器件类型元器件规格数量备注 R1 电阻 10K 1 R2 电阻 300 1 R3 电阻 50K 1 VD5 稳压二极管 2V1 D1 光敏电阻 1 D2 光纤温度传感器 1 R6 电阻 1K 1 复位电路用 C1 C 2 瓷片电容 30pF2 晶振电路用 C3 电解电容 10uF1 复位电路用 S1 开关 1 复位电路用 U2ADC08041 A D 转换 R4 R 5 电阻 1K 2 A D 转换 六 总结 本期学习了 传感器原理与应用 此学科无论在理论基础 系统设计还是 在设计程序 实验方法等方面都向着数字化 网络化和智能化方面发展 在这一 过程中 光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐 光纤具有很多优异的 性能 例如 抗电磁干扰和原子辐射的性能 径细 质软 重量轻的机械性能 绝缘 无感应的电气性能 耐水 耐高温 耐腐蚀的化学性能等 由于本人 所学的是测控技术与仪器专业 我们所学的就是对信号的检测与控制 而其中温 度监测是其中之一 本文大体介绍了金属热膨胀式光纤温度传感器的设计 利用 金属件的热膨胀的原理 通过绕制在金属件上的光纤损耗产生变化 由于光纤的 抗干扰能力优异于其他的传感器 本人特别介绍了光纤温度传感器 光纤温度传 感器作为一种新型的测温技术发展十分迅速 应用也越来越广泛 但存在以下几 个方面的问题 光纤温度传感器在价格上的劣势制约了其的推广应用 价格太 高使得在某些应用场合监测的实际意义不大 光纤在某些电气设备上的敷设较 为困难 最好能在敷设方式和敷设工艺等方面形成业内认可的施工指导与标准规 范 目前生产光纤温度传感器的厂家基本都只具备专业研发与生产光纤温度传 感器的能力 在这次的学习中 我是受益匪浅的 本次课程设计并不是想象那么容易 但 传感器课程设计 7 这也是一个对补充理论知识的一个极佳的契机 对我们所学专业有了更加深刻的 了解 更重要的是为以后走向工作岗位面向社会提供了一个不断学习 不断提高 自己 在实践中锻炼自己的机会 传感器课程设计 8 参考文献 1 刘国钧 陈绍业 王凤翥 图书馆目录 M 北京 高等教育出版社 1957 15 18 2 刘润华 刘立山 模拟电子技术 J 自动化仪表 2005 6 21 23 3 宋文绪 杨帆 传感器与检测技术 M 高等教育出版社 2007 29 31 4 刘瑞复 史锦彭j 光纤传感器及其应用 M 北京 机械工业出版社 1997 69 87 5 孙圣和 王廷云 徐颖 光纤测量与传感技术 M 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版 社 2001 78 96 6 王玮 周邦全 张在宣 等 分布式光纤拉曼光子温度传感器系统的测量精度 J 光学学报 1999 19 1 100 155 7 黄尚廉 分布式光纤传感器现状与动向 J 光电工程 2000 3 57 62 8 刘恭 邹建 黄尚廉 基于普通光纤的分布式温度传感系统 J 光学工程 1996 23 2 57 61 东北石油大学