基于虚拟仪器技术的光纤测温系统设计_h

1、 #!( 年第 5 期仪 表 技 术 与 传 感 器 -KIE?J:I 0:FA7O?: *L T:KGE#!(GV 5基于虚拟仪器技术的光纤测温系统设计 胡立微，杨俊华，武金玲 （河北师范大学，河北 石家庄 !#$） 摘要：介绍了光纤单色辐射式测温原理，建立了测温系统数学模型，针对恶劣环境下的温度测量问题，利用石英光纤 束和窄带滤光片，设计了基于虚拟仪器技术的实时测温系统，阐述了系统工作原理和实现方法，以及系统的硬件和软件结构，说明了在虚拟仪器开发平台上进行数据采集与数据分析的实现方法，采用单片机硬件系统和 )*+,-./ 软件系统以保证测量精度和稳定性，并实现了数据的存储和远程显示。本系统

2、具有操作方便、可靠性高、功能全和可扩展性强等优点。 关键词：光纤传感器；温度；单片机；)*+,-./；虚拟仪器 中图分类号：012$ 3 #文献标识码：4文章编号：$!# $2（$ #!(）!5 !#5 !#%&()* +, -./(012 3(4&5 6&7.&51/85& 9&185&7&*/ :;/&7 (5/812 ?*/587&*/ 6&0*+2+);16 )7 9:7，;4? A?*，/6 7 B7C（A&4&( B+5712 C*(D&5(/;，:(E(1F81*) !&!5$，G(*1） H4/510/：0A: DE7F7DB: GH GDI7F*B H7+:E AGJGFAE

3、GJG?K E*L7*I7G I:JD:E*I?E: J:*K?E:J:I 9*K L:KFE7+:L 3 0A: J*IA:J*I7F*B JGL:B 9*K FE:*I:L 3 47J7C *I IA: DEG+B:J GH I:JD:E*I?E: J:*K?E:J:I 7 +*L 9GEM7C :N7EGJ:I，O?*EIP GDI7F*B H7+:E *L *EEG9 +*L H7BI:E9:E: ?K:L IG L:K7C * I:JD:E*I?E: J:*K?E:J:I KQKI:J 7 E:*B I7J: +*K:L G N7EI?*B 7KIE?J:I 3 RE7F7DB: *

4、L J:IAGL GH IA: KQKI:J， KIE?FI?E: GH A*EL9*E: *L KGHI9*E: 9:E: :SDG?L:L 3 0A: J:IAGLK GH L*I* *FO?7K7I7G *L L*I* *BQK7K G N7EI?*B 7KIE?J:IK DB*IHGEJ 9:E:SDB*7:L3 T7CB: FA7D A*EL9*E: KQKI:J *L )*+,-./ KGHI9*E: 9:E: *LGDI:L IG :K?E: IA: DE:F7K7G *L KI*+7B7IQ，L*I* KIGE7C *L BGCE*C: L7KDB*Q 9*K E:*B7P:L

5、 3 0A7K KQKI:J A*N: IA: *LN*I*C:K GH :*K7BQ FGIEGB，A7CA E:B7*+7B7IQ，?J:EG?K H?FI7GK *L :*KQ HGE ?DL*I:L 3 I&; J+5=：GDI7F*B H7+:E K:KGE；I:JD:E*I?E:；K7CB: FA7D；)*+,-./；N7EI?*B 7KIE?J:I!引言 光纤传感技术用于温度测量，具有体积小、电绝缘性好、耐 腐由上述两式得$ ! U $ ! $ （! #）B（ $ !#!） 式中# 为物体的光谱发射率。 蚀、柔性弯曲、防爆、抗电磁干扰、灵敏度高等特点$。文中 采用虚拟仪器技术设计

6、了单色辐射式光纤测温系统，可用于冶 金、化工、电力、建材等领域，解决电磁干扰大、环境恶劣场合的 温度测量与控制问题。 !通过#! 和! 把被测物体的实际温度 与它的单色辐射测量温度$ 联系起来。在实际测温中，被测物体的实际温度为定值，则单色辐射温度值与所取的波长有关，只要波长一定，同一 热辐射只能对应一个单色辐射温度值5。 $单色辐射测温原理 辐射型光纤温度传感器是基于黑体辐射的普朗克原理。所K光纤温度测量数学模型的建立 建立温度测量的数学模型，就是要确定辐射温度与传感器 输有的物质，当它的温度高于绝对温度时，均发出一定量的热辐 射，辐射能力的大小与物体的温度和物体材料的发射率有关。黑体是能够

7、完全吸收入射辐射，并具有最大发射率的物体。单色辐射温度（亮度温度）测量的工作原理是：选定某一波长，则 被测物体的辐出度仅是温度的单值函数，只要测出某一波长!下的辐出度，就可以确定该物体的亮度温度。 在被测温度与波长范围内，单色辐射温度用下式表示 $ ! U （! #）B （!，）! #$! & 式中： 为被测物体的真实温度；（!，）为普朗克定律表示的黑体辐出度；#$、# 为常数。 用 $ 表示物体的亮度温度，则有 $ ! $ U （! #）B #!（!，）! #$! & 出电信号之间的关系。传感器系统构成如图 $ 所示。 图 $ 传感器系统结构图 光纤辐射传感系统由透镜、传输光纤、窄带滤光片及

8、光电探 测器构成。被测物体的热辐射经空间光路耦合进光纤，由光纤 传输后，经窄带滤光片选出要测量波长的辐射，经光电探测器转 换成电信号输出，输出电信号的大小反映了被测体的温度。 对于单色辐射温度测量，其辐射波长为定波长!。考虑到空间光路损耗 %（! !）、光纤透射率 （& !，$）及光纤、滤光片和光电探测器之间的耦合系数 %$，光电探测器输出的光电流为 $ U %（! !）（& !，$）%$（!，）%#基金项目：收稿日期：#!&科研与发展计划项目（!#$#$%） $# $ 收修改稿日期：#!( !$ ! #92%PJHGUI%J VIOT%EXGI 4%M 8I%PCHN4HZ #=则被测体温度

9、值为 ! !（! #）以及基本的数字函数、字符串处理函数、数据运算函数、文件 2 - 7 函数和高级分析库（信号处理、窗函数、滤波器设计、线性代数、 概率论与数理统计、曲线拟合等）。 系统中软件设计分为单片机和 ( 计算机两部分。单片机 软件设计完成控制 )- * 采集的程序和与 ( 计算机实时通信的程序。程序流程图为如图 所示。 $% $（!，!） $%& 由此，可以通过检测光电流的大小来确定被测温度的高低。在波长确定的情况下，发射率（!，!）为温度的函数，由于发射率的不确定性将引起温度测量误差，因此，在精确温度测量时， 首先要确定被测物体的发射率并在仪表中进行修正。 !系统硬件设计 基于虚

10、拟仪器技术的光纤测温系统的硬件可分为光纤温 初始化!度传感系统、数据采集系统、单片机和 ( 计算机。系统组成如图 # 所示。 开中断!#1从 (机接到启动信号?!等待!图 硬件系统框图光纤温度传感器将温度信号转变为电信号。光纤与物镜 等组成探头，采集被测体的辐射光，即按一定的视场和角度接 收被测目标的辐射通量，会聚耦合进光纤。为保证光电探测器 探测到单一波长的辐射光，在光电探测器的前端加一个窄带干 涉滤光片，其中心波长的选取由测量温度的范围决定。采用光 电探测器与前置放大器的组合形式可以提高抗干扰和抗环境 温度变化的能力。另外，在前置放大器后加入低通滤波器，可 以滤除信号中的高频噪声，对信噪比

11、的改善起很大作用。 数据采集系统将模拟电信号转变为数字信号送入单片机。 )*+, 是一种片内带数字滤波的 )- * 转换器，适用于宽动态范围测量、工业控制中低频信号的转换。来自传感器的低电平信号直接输入到 )- * 转换器的模拟输入端，然后产生串行的数字输出。由于 )*+, 采用串行接口，因此和单片机的接口比较简单。 单片机控制启动 )- * 数据采集和滤波，并向 ( 计算机发送 数据，与 ( 机进行通信。( 计算机实现在界面上对温度的实时显示和数据的保存功能，便于以后对数据库中数据的分析。 向 ( 机发送采集数据图 !单片机程序流程图 ( 计算机软件设计采用 345/206 开发环境进行编写

12、，充分利用 345/206 开发环境的数据处理、显示、存储等优势，完成实时接收单片机传来的采集数据，进行数据处理，将数据实时 显示在软件界面上供软件使用者读数，并且将数据存储于中,。软件分为以下几个功能模块。 数据库（A）串口通收数据模块。将单片机采集的数据通过串行通信方式和 345/206 软件进行连接，再将数据显示在显示区域。345/206+ B 中有硬件和软件握手协议，用 /28) (C%DEFGHI8IHE4$ CHJ B KE 来设置串口的波特率、数据位、奇偶校验、流量控制等握手协议的各种参数，使其与单片机系统的通信保持协调。用 /28) LI4M B KE 子 /2 来读取在串口设

13、备上的数据，并将读入的数据放入数据缓冲区。 （#）数据显示模块。根据通信协议，( 机与单片机的通信过程为：( 机给单片机一个启动信号，开始数据采集和上传，若循环发送启动信号，则可以得到波形图。 （）数据存储模块。采用 NEOHCPCDJ )OOIPP 数据库系统将数据保存下来，并且把采集时间保存在数据库里，供查询、分析、打印。利用 3458Q3 实现 345/206 与数据库之间的数据交互传递。 参考文献： A 孙圣和，王廷云，徐影B 光纤测量与传感技术B 哈尔滨：哈尔滨工业系统的软件设计 在虚拟仪器系统中，软件是整个系统的核心，它可以由用 户自己定义、设计和改变，增强仪器系统的功能和规模，满

14、足各 种特殊需要。虚拟仪器的软件体系结构可分为用户应用层、测 试程序层和仪器设备层。用户应用层包含用户界面和系统功 能模块， 与用户进行友好交互，实现具体测试流程和测试结果 处理。测试程序层包含所有测试协议和测试信息数据分流与 控制模块，测试程序所有数据信息都在这一层流动。仪器设备 层对底层硬件及网络资源实现控制和数据传输。系统软件划 分为相互之间耦合度很低的软件功能模块，各模块之间采用消 息方式进行数据通信。 常用的虚拟仪器的软件开发平台主要有 . 公司的 /00和 12 公司的 345/206 和 345621*768 - (/2 等。其中 12 公司的 345/206 是一种实用的图形化

15、的软件编程平台9。345/206 提 供了大量的函数库供用户直接调用，包括底层的 /:2、;2ST4% N )，)$IU (，04F4H V 6B 1C%OC%J4OJ JIUWIH4JGHI UI4PGHIUI%J： 2%JIHWC$4JEC% JIOT%EXGIP B LIK B 8OE B 2%PJHGU，ARR9，=（# #）：R# 9# B9刘君华B 基于 345/206 的虚拟仪器设计B 北京：#：=R YA B， , 黄振林，王建林B 基于虚拟仪器技术的污水吸附柱在线测控装置B 仪表技术与传感器，#,（,）：#R A B作者简介：胡立微，（AR=+），女，讲师，硕士，研究方向为计

16、算机测控技 术。 启动 ) - * 采集 基于虚拟仪器技术的光纤测温系统设计 胡立微， 杨俊华， 武金玲， HU Li-wei， YANG Jun-hua， WU Jin-ling作者： 作者单位：刊名： 河北师范大学,河北,石家庄,050031仪表技术与传感器TRUMENT TECHNIQUE AND SENSOR英文刊名： 年，卷(期)： 引用次数： 2006，(3)4次 参考文献(5条) 1.孙圣和.王廷云.徐影 光纤测量与传感技术 20002.张易知.肖啸.张喜斌 虚拟仪器的设计与实现 20023.Khan M A.Allem C.Eagar T W Noncontact temper

17、ature measurement:Interpolation techniques 1994(2)4.刘君华 基于LabVIEW的虚拟仪器设计 20035.黄振林.王建林 基于虚拟仪器技术的污水吸附柱在线测控装置期刊论文-仪表技术与传感器 2005(5)相似文献(10条) 1.学位论文 杨丽萍 应变和温度同时测量新型光纤传感器的研究 2006 光纤传感测试技术由于具有抗电磁干扰、远距离传输、能实现绝对测量的优点，在大型结构健康监测系统中越来越显示出独特优势，但监测系统多参量测量和多测点布设的特点，又要求光纤传感器具有多参量测量的功能，以简化传感器和传输线的布设，提高监测系统的可靠性。因此，如

18、何实现光纤传感的多参量同时测量技术，是目前国内外关注的热点和难点问题之一。为了解决应变和温度同时测量问题，本文通过对光纤传感原理的详尽分析，提出了一种基于FBG/EFPI的应变和温度同时测量系统，并对其进行了系统设计和试验研究，为该同时测量系统的实际应用奠定了理论和技术基础。本课题的主要研究工作和取得的成果如下：第一，在详尽分析光纤FBG和EFPI传感原理及其传感特性的基础上，提出了应变和温度同时测量的系统设计方案，并对其同时测量理论进行了深入分析。该系统是由新型FBG/EFPI复合式传感器、ASE宽带光源、多波长计和相关软硬件组成，其中FBG用于应变测量，EFPI用于温度测量，并采用同一解调

19、系统对应变和温度信号进行采集和分析处理。第二，对FBG/EFPI复合式传感器进行了结构设计和制作工艺研究，给出了FBG/EFPI传感头的各项结构参数范围，确定了FBG/EFPI复合式传感器的封装结构和尺寸，并分别制定出FBG/EFPI传感头制作工艺和封装保护工艺的工艺流程，制作出了新型FBG/EFPI复合式传感器成品。第三，在分析比较几种常见的FBG、EFPI解调方法的基础上，设计出了能实现FBG/EFPI复合式传感器应变和温度同时测量的解调方案，并完成了解调系统硬件设备的选型、设备接口驱动程序和专用解调软件的编写工作，最后进行了解调系统的软硬件调试。调试结果表明：该解调系统完全可以实现对应变

20、和温度信号同时采集和分析处理的功能。第四，设计了FBG/EFPI复合式传感器应变、温度同时测量实验系统，进行了温度和应变特性测试试验，验证了应变和温度同时测量系统的实用性。试验结果表明：应变测量精度优于3，测试量程为2000；温度测量精度优于0.1，测试量程为- 40+80，满足混凝土结构对应变和温度的测试要求，可直接埋入混凝土中进行结构的应变和温度长期监测。 2.学位论文 张月星 保偏光纤传感器压力温度同时探测的理论研究 2008 光纤传感器是世界上兴起的一种新型传感器，而保偏光纤又是现在广有应用前景的光纤，基于偏振模耦合原理的光纤传感器具有较高的测量灵敏度，在一些需要高精确度的特殊场合可以

21、提高测量的精确度。压力和温度是经常需要测量的环境因素，本文介绍了保偏光纤在受压力作用时的偏振耦合原理，得出了偏振耦合系数与压力的关系表达式。同时光纤本身对温度并不是很敏感，金属的膨胀系数要比光纤的大得多，因此可以利用金属的膨胀产生的热应力转化为对保偏光纤的压力来测量温度的变化量，得出了偏振耦合系数与温度变化量的关系表达式。对得出的理论推导进行了计算机模拟，确定了其他条件固定时耦合系数最大时压力与保偏光纤快慢轴的方向夹角和压力大小与耦合系数的曲线，以及热应力的大小与温度变化量的曲线，分析了耦合系数与温度变化量的曲线。在考虑线性度和测量范围的情况下得出了偏振耦合系数与压力温度变化量的近似表达式。并

22、且比较了几种光纤光栅，得出布拉格光纤光栅与之实现压力温度变化量的同时测量比较合适。 3.期刊论文 郑小平.廖延彪.ZHENG Xiaoping.LIAO Yanbiao 用于压力、温度测量的光纤传感器 -清华大学学报（自然 科学版）2000,40(7)为解决压力传感器的温度稳定性问题,设计一种压力温度双参量光纤传感器,并在理论上分析了从一个敏感晶体上分离出温度压力两种信息的可能性.传感器以石英晶体作为敏感元件,通过合理安排传感头中各部件,只需一个敏感元件就可同时输出两路信号: 一路是弹光效应引起的压力信号; 另一路是石英晶体旋光效应的信号.由于旋光效应与温度有关,旋光效应的信号可用来反映传感头

23、光路上的温度.文中给出了实验装置,实验结果与理论相符.结果显示: 在90 温度范围内压力的精度可达0.1%,温度的精度为1 ,已能满足石油计量的要求. 4.期刊论文 邓隐北.DENG Yin-bei 同时测量应力、温度和振频的光纤传感器 -光电技术应用2007,22(5) 论述了为对结构的正常监控而利用光纤传感系统同时测量应力、温度和振动的新颖技术.该测量系统包含2个光学系统:一为波扫描的光纤激光器(WSFL)系统,一为利用波分多路调制器(WDM)的激光二极管系统.利用WSFL的光纤布拉格光栅(FBG)和非固有的法布里-珀罗(Fabry-pevot)干涉器(EFPI),组成混合传感系统(FBG

24、/EFPI).借助于上述测量系统,可同时测量应力、温度和振动频率. 5.期刊论文 郑德忠.王会颖.韩昭明.ZHENG De-zhong.WANG Hui-ying.HAN Zhao-ming 光纤传感器测量煤气发生炉中 CO气体温度的研究 -传感器与微系统2007,26(8)阐述了光纤传感器的优点及其基本工作原理,蓝宝石单晶光纤是目前在高温环境下最适用的光波导材料之一,其测量温度最高为2000 ,温度高于800 时 ,采用单晶蓝宝石棒做高温探头具有较高的灵敏度和温度分辨力,在800 以上时,灵敏度优于1 ,在1000 以上时,温度分辨力优于0.1 ,将其用于光纤高温传感器并测量煤气发生炉中CO

25、气体的温度,其测量精度为0.1 . 6.期刊论文 严金华.YAN Jin-hua 同时测量折射率和温度的光纤传感器 -浙江大学学报（工学版）2008,42(10) 为了实现折射率(RI)和温度的同时测量,提出了一种双长周期光纤光栅(LPG)结构的光纤传感器.该传感器由两段LPG组成,两段LPG所激发的包层模阶数不同 ,且两段LPG的包层直径也不同.理论分析了该传感器实现折射率和温度同时测量的原理,两段LPG对折射率具有较大差异的灵敏度,而温度灵敏度也略有不同,利用灵敏度矩阵可以同时得到折射率和温度的变化.实验中,采用两个不同的周期使得两个LPG分别激发不同阶的包层模,利用化学腐蚀方法使激发高阶

26、模的LPG包层直径减小,利用不同折射率的液体作为样本进行实验测量.实验结果表明,该传感器能实现折射率和温度的同时测量,并具有高灵敏度和好的线性度. 7.学位论文 冉曾令 深紫外激光制作的微光纤传感器及系统研究 2009 光纤传感器由于具有抗恶劣环境能力强、无源、可远距离遥测等优点，近年来已成为传感器领域的主流方向之一，同时在满足国家重大需求方面具有广阔的应用前景，如地震监测、重要设施安全监测、电力工业和医学化学领域等。本博士论文在深紫外激光制作的微光纤传感器及系统研究方面做出了一系列创新性成果(为已获2008教育部自然科学一等奖的重要组成部分之一)，总结如下：一、在新一代微光纤珐-珀干涉传感器

27、研究方面取得重要突破(1)研究了 157nm深紫外激光脉冲微加工光纤的工艺，实验表明该激光微加工系统可以实现光学镜面量级的微加工，为微光纤传感器的高质量制作奠定了工艺基础； (2)首次应用157nm深紫外激光微加工成功制作出目前世界上光学性能最好、工作温度最高(800)的微光纤在线珐珀应变传感器(已被国际上多次转载报道 )，可望在航空航天、能源工业等环境十分恶劣的条件下使用，为解决长期以来存在的高温下应变精确测量的世界难题提供一条可行的途径；(3)首次在国际上发明了封闭型微光纤珐-珀传感器，该传感器可以工作在800下，对温度不敏感，常温下无需温度校准。作为应变传感器时，静态应变灵敏度为 0.3

28、04mrad/，动态应变灵敏达20n/Hz1/2；作为压力传感器时，具有高达99.9975的线性度。同时，提出了基于封闭型微光纤珐-珀传感器和长周期光纤光栅组合的温度与应变同时测量方法。(4)首次在国际上提出了一种基于157nm激光微加工的对比度调制型的微光纤珐-珀折射率传感器结构，该传感器具有温度不敏感性，能够测量大于1的任何折射率，线性工作范围内具有410-5的分辨率。具有宽测量范围、高分辨率、制作简单，低热敏性、低成本、大规模生产能力、可靠性高等优点，能够实用。(5)提出了一种相位型微光纤珐-珀折射率传感器新结构以进一步提高折射率测量的分辨率，这种新型传感器在折射率测量中获得高达1130

29、nm/RIU的灵敏度，具有灵敏度高、测量范围宽、线性度好、体积小、温度交叉敏感度较小等优点，使其在化学和生物传感领域中有很好的应用前景。以上创新性工作不仅丰富了光纤珐-珀传感器的体系，而且为研制新型微光纤传感结构开辟了一条新路，具有重要的科学意义。同时可望解决光纤珐-珀传感器的批量制造问题，从而为微光纤珐-珀传感器的广泛应用奠定基础，因此，具有重要的应用价值。二、在布拉格光纤光栅传感器研究方面取得重要进展(1)首次在国际上实现了基于拉曼和掺铒光纤混合放大光纤激光器的长距离FBG传感系统，分别实验演示了50公里和100公里的长距离传感系统，在50km范围内，FBG传感器的光学信噪比高达60dB以上。(2)提出了基于先进算法的FBG传感信号信噪比提升方法，如MUSIC算法和特征量分解谱估计算法。以上工作为低成本实现长距离的准分布式FBG传感网络提供了解决方案，可用于铁路、输油(气)管