基于光纖傳感的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、 題 目： 基于光纖傳感的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名： 劉芳 學(xué) 號(hào)： 201105100050 學(xué) 院： 物理與機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 光電子技術(shù)科學(xué) 年級(jí)班級(jí)： 2011級(jí)2班 指導(dǎo)教師： 王少輝 年 月 日畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全了解有關(guān)保障、使用畢業(yè)論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)畢業(yè)論文管理機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版。同意省級(jí)優(yōu)秀畢業(yè)論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本畢業(yè)論文通過(guò)影印、縮印、掃描等方式進(jìn)行保存、摘編或匯編；同意

2、本論文被編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索和查閱。本畢業(yè)論文內(nèi)容不涉及國(guó)家機(jī)密。論文題目：作者單位：作者簽名： 年 月 日 目 錄摘要1引言11. 總體設(shè)計(jì)方案21.1方案設(shè)計(jì)2 1.2光纖溫度傳感器ts332. 硬件電路設(shè)計(jì)62.1放大電路62.2 a/d轉(zhuǎn)換電路92.3 lcd顯示電路102.4 報(bào)警電路122.5 按鍵電路122.6 系統(tǒng)硬件電路圖133.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)133.1主程序流程圖133.2 信號(hào)采集與處理流程圖153.3 a/d轉(zhuǎn)換流程圖164.調(diào)試與仿真175. 結(jié)束語(yǔ)17參考文獻(xiàn)18附錄19致 謝23基于光纖傳感的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要：本文設(shè)計(jì)了基于光纖溫度傳感器ts3的溫度測(cè)量系統(tǒng)

3、,光纖溫度傳感器ts3采用熒光型光纖傳感原理,實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)測(cè)溫,同時(shí)有報(bào)警功能。溫度測(cè)量系統(tǒng)主要由光纖溫度傳感電路，a/d轉(zhuǎn)換電路,集成運(yùn)放電路,時(shí)鐘電路,報(bào)警電路，鍵盤和顯示電路等組成。介紹了光纖溫度傳感器ts3的工作過(guò)程，溫度測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)制，并進(jìn)行了軟件仿真。仿真結(jié)果表明：基于光纖溫度傳感器ts3的溫度測(cè)量系統(tǒng)具有良好的多點(diǎn)測(cè)溫性能。 關(guān)鍵詞：ts3;多點(diǎn)測(cè)溫;溫度測(cè)量based on the temperature of the optical fiber sensing measurement system designabstract:this paper design a tem

4、perature measurement system based on optical fiber temperature sensor ts3, optical fiber temperature sensor ts3 using fluorescent fiber-optic sensing principle, implements the multi-point temperature measurement, at the same time with alarm function. temperature measurement system is mainly composed

5、 of optical fiber temperature sensor circuit, a/d conversion circuit, integrated operational amplifier circuit, clock circuit, alarm circuit, keyboard and display circuit, etc. ts3 optical fiber temperature sensor is introduced and the working process, the temperature measurement system of operation

6、 mechanism, and a software simulation was carried out. the simulation results show that the temperature measurement system based on optical fiber temperature sensor ts3 have performance of multi-point temperature measurement.key words:ts3; multi-point temperature measurement; temperature measurement

7、 引言 溫度是日常生活中常見的一個(gè)量，可以通過(guò)兩種方法檢測(cè)空間溫度，玻璃管溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、熱電阻溫度計(jì)等是直接接觸被測(cè)物得到溫度信息的，還有一種可以不接觸被測(cè)物而得到同樣真實(shí)可靠的溫度信息的途徑，就是間接式測(cè)溫1。光纖溫度傳感器屬于間接式測(cè)溫2。在一些工作狀況，如環(huán)境惡劣、有較強(qiáng)的電磁輻射、易起火、易發(fā)生危險(xiǎn)，還有需要響應(yīng)迅速、不能接觸的地方，光纖溫度傳感技術(shù)顯現(xiàn)出不凡的價(jià)值。 因?yàn)楣饫w自身的電磁隔絕和較寬的頻帶等，使得光纖溫度傳感器受到全球?qū)＜?、學(xué)者以及商家的親睞。由于光纖溫度傳感器運(yùn)作時(shí)可以通過(guò)調(diào)制光處理溫度信號(hào)，傳感器多采用石英光纖來(lái)加工制造，大大降低了

8、能源浪費(fèi)所帶來(lái)的高昂損失，將溫度信號(hào)傳輸至幾公里之外仍無(wú)溫度偏差。因此，傳感器在投入其它領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)可遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的地方，提高了安全系數(shù)。在輻射測(cè)溫中，光纖輕，細(xì)，隨意折疊成任意形狀以適應(yīng)一些隱秘工作條件下的溫度測(cè)量，給惡劣作業(yè)條件測(cè)量溫度帶來(lái)了便捷，且沒有其它不便。 共有兩種光纖溫度傳感器：第一種傳光型光纖溫度傳感器僅用光纖傳輸光信號(hào)。第二種測(cè)溫實(shí)質(zhì)是其物理參數(shù)隨溫度變化。后者叫傳感型光纖溫度傳感器。傳感型光纖溫度傳感器中，光纖作為敏感元件，因?yàn)樗臏囟褥`敏度非常高，實(shí)用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)等，在實(shí)際生活中已得到應(yīng)用。另外，傳光型光纖溫度傳感器只需一個(gè)溫度敏感器件，用一根光纖來(lái)傳輸信息，再

9、加上光纖耦合器，便構(gòu)成了光纖傳感器。 隨著科技的發(fā)展，光纖已被廣泛應(yīng)用于生活的各個(gè)角落，光纖溫度傳感器詩(shī)是個(gè)具有魔力的器件。其是這樣工作的：選擇某類高分子溫敏材料，均勻粘在兩根封在一起的光纖外表面，考慮到光纖折射率的問(wèn)題，材料和光纖需相協(xié)調(diào)適應(yīng)，當(dāng)光沿著一條光纖入射，讓其從另一條光纖出射。光波的物理參量如波長(zhǎng)、偏振態(tài)、強(qiáng)度和相位等隨溫度而時(shí)刻變化，正是由于這一系列參數(shù)的敏感度，使得光纖溫度傳感器具有魔力，這是典型的非接觸式測(cè)溫3。 傳光型光纖溫度傳感器的傳感原理比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，傳感型光纖溫度傳感器的實(shí)質(zhì)是：光纖作為敏感器件，其接收外界溫度信號(hào)的變化，導(dǎo)致自身振幅、相位、波長(zhǎng)、功率、光強(qiáng)等物

10、理參數(shù)發(fā)生變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。傳光型光纖溫度傳感器敏感度低，但因其生產(chǎn)成本較低，在一些不要求特別精確的場(chǎng)合很容易投入使用，市場(chǎng)前景還算良好。 1. 總體設(shè)計(jì)方案1.1方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)是基于傳感型光纖溫度傳感器本身具有的物理參數(shù)隨溫度變化的特性、單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)的高敏感性和可控性，設(shè)計(jì)出光纖溫度傳感器ts3和以單片機(jī)為核心的一套溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括溫度采集模塊、集成運(yùn)放模塊、a/d轉(zhuǎn)換模塊、按鍵輸入模塊、報(bào)警模塊和顯示模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示：溫度信號(hào)采集集成運(yùn)放a/d轉(zhuǎn)換 單 片 機(jī)顯示電路 按鍵 輸 入時(shí)鐘電路報(bào)警電路圖1 系統(tǒng)總體框圖 溫度采集模塊：石英光纖敏感頭暴露于系統(tǒng)內(nèi)

11、，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)溫度發(fā)生變化時(shí)，光纖敏感頭接收這一信息，通過(guò)光纖傳輸溫度變化信息，即光波的物理參數(shù)變化，最后由光電轉(zhuǎn)換器接收光波信息，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。集成運(yùn)放：由于采集到的溫度信號(hào)比較微弱，需對(duì)其進(jìn)行放大。a/d轉(zhuǎn)換模塊：溫度信號(hào)最終要送至單片機(jī)進(jìn)行處理，因此需將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。按鍵輸入模塊：設(shè)定兩個(gè)按鍵，分別用來(lái)增加和減少溫度值。啟動(dòng)光纖溫度傳感器ts3，采集溫度信號(hào)，送至單片機(jī)控制系統(tǒng)處理，并顯示出溫度值。1.2光纖溫度傳感器ts31.2.1光纖溫度傳感器ts3 如圖2所示，光纖溫度傳感器ts3是由歐普申光電科技有限公司研發(fā)的，該公司致力于光纖傳感與光譜分析解決方案。光纖溫度傳感

12、器ts3選擇某類高分子溫敏材料，均勻粘在兩根封在一起的光纖外表面，考慮到光纖折射率的問(wèn)題，材料和光纖需相協(xié)調(diào)適應(yīng)，當(dāng)光沿著一條光纖入射，讓其從另一條光線出射。因?yàn)闇囟鹊淖兓鸩牧险凵渎拾l(fā)生改變，光波的功率輸出發(fā)生變化時(shí)，隨其一起變化的溫度也有規(guī)律地變化3。光波的物理參量如波長(zhǎng)、偏振態(tài)、強(qiáng)度和相位等隨溫度而時(shí)刻變化，正是由于這一系列參數(shù)的敏感度，使得光纖溫度傳感器具有魔力 4。圖2 光纖溫度傳感器ts31.2.2光纖溫度傳感器ts3的工作原理發(fā)光二極管光纖耦合器光纖溫度傳感頭 聚合鏡 圖3 光纖溫度傳感器ts3工作原理 如圖3所示，從發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)過(guò)處理,先進(jìn)入聚光鏡，經(jīng)過(guò)耦合再傳輸至光

13、纖的一端,光纖耦合器接收到出射光，對(duì)其進(jìn)行耦合，光線溫度傳感頭接收耦合光5。光纖傳感頭端部含有敏感材料，這種高分子溫敏材料受激勵(lì)光照射，受激而發(fā)射特殊的熒光,熒光信號(hào)快速沿著光纖傳輸,接下來(lái)是光纖耦合器，經(jīng)過(guò)耦合的熒光從傳輸光纖的另一端射出,最終由光電探測(cè)器接收，這時(shí)，光電探測(cè)器獲得溫度信號(hào)6。 1.2.3光纖溫度傳感器ts3的技術(shù)參數(shù) 測(cè)溫范圍：-199+299 精 度：1 響應(yīng)時(shí)間：1.5s1.2.4光纖溫度傳感器ts3的應(yīng)用在醫(yī)療方面，ts3光纖溫度傳感器可用于體表膚質(zhì)檢測(cè)，精確溫度獲取，給人體如食道等不可接觸器官量體打造溫度傳感器。圖4 患者溫度監(jiān)控系統(tǒng)光纖溫度傳感器ts3的otg-m

14、420和otg-mpk5光纖溫度傳感器絕對(duì)安全，在一些需要應(yīng)用高科技手段的場(chǎng)合，如x射線、ct檢測(cè)中，兒童發(fā)高燒治療中，能得到高精度的溫度信息。ts3的opp-m可用于心血管血壓監(jiān)控，本質(zhì)安全，提供動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)時(shí)間，極小的溫漂和濕度引起的漂移，緊湊的末端感應(yīng)溫度傳感器為提供高精度的溫度讀取而設(shè)計(jì)，對(duì)電磁，射頻，磁共振和電子干涉完全免疫，不受光纖彎曲和多重連接影響，始終如一的精確溫度讀取通過(guò)“傳感器到傳感器”和“系統(tǒng)到系統(tǒng)”，傳感器可以混合和匹配，精度沒有任何降低，容易安裝和嵌入導(dǎo)尿管，整個(gè)系統(tǒng)（信號(hào)解調(diào)器和傳感器）精度為0.3，不需要輸入標(biāo)定序列號(hào)，具有競(jìng)爭(zhēng)力的低成本解決方案7。圖5 ts3的

15、溫度監(jiān)控 光纖溫度傳感器 otg-m裝置穩(wěn)定，不受干擾，使用方便，在惡劣條件下也能大顯身手。 動(dòng)物生理溫度監(jiān)控：ts3的 otg-m 系列與核磁共振相容的光纖溫度傳感器專為動(dòng)物生理溫度監(jiān)控而設(shè)計(jì)，在磁共振和射頻情況下提供實(shí)時(shí)精確溫度讀取8。 圖6 動(dòng)物生理溫度監(jiān)控2. 硬件電路設(shè)計(jì)2.1放大電路光纖溫度傳感器接收光信號(hào)經(jīng)處理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行放大，有3種方法可供選擇。方法一：采用晶體管電路構(gòu)成，如圖7所示。圖7 晶體管放大電路方法二：高阻放大器，如圖8所示。 圖8 fet放大電路方法三：由運(yùn)算放大器構(gòu)成，如圖9所示。 圖9 運(yùn)算放大器 經(jīng)分析，方法一由晶體管構(gòu)成的放大器和方法二由

16、構(gòu)成的放大器在電路結(jié)構(gòu)上比方法三由運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大器復(fù)雜，而且運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大在輸入、輸出阻抗和信噪比要求上能達(dá)到本系統(tǒng)的要求，所以采用方法三。2.2 a/d轉(zhuǎn)換電路 adc0809芯片具有高精度，高的轉(zhuǎn)換效率，低功耗的優(yōu)點(diǎn)，其引腳及轉(zhuǎn)換原理分別如圖10，圖11所示：圖10 adc0809引腳通道開關(guān)選擇 通道地址鎖存和譯碼逐次逼近寄存器(sas)8位鎖存器和三態(tài)門定時(shí)和控制clock開關(guān)樹形d/a 比較器 ref(+)ref(-) in0 in1 模 in2 擬 in3 輸 in4 入 in5 in6 in7 a b c ale 圖11 a/d轉(zhuǎn)換電路原理 本設(shè)計(jì)中單片機(jī)與adc08

17、09的連接圖如圖12所示。圖12 單片機(jī)與adc0809的連接2.3 lcd顯示電路在lcd1602上顯示所測(cè)溫度，接線方式如圖13所示 圖13 lcd16022.4 報(bào)警電路 溫度報(bào)警：當(dāng)系統(tǒng)溫度不在控制范圍時(shí)，蜂鳴器鳴響，報(bào)警電路如圖14所示：圖14報(bào)警電路2.5 按鍵電路 輸入按鍵有兩個(gè)，分別用于加減溫度上限值。如圖15所示：圖15 按鍵電路2.6 系統(tǒng)硬件電路圖系統(tǒng)的總體硬件電路圖如圖16所示: 圖16 總體硬件電路3.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1主程序流程圖 如下圖17所示,本系統(tǒng)特別選用光纖溫度傳感器ts3探測(cè)溫度信息，將溫度信息送至放大器處理以獲得較大的信號(hào)，將放大后的信號(hào)送至a/d轉(zhuǎn)換器

18、，這時(shí)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)對(duì)接收到的溫度信號(hào)進(jìn)行處理，最終由lcd顯示器顯示溫度值。開始等待輸入設(shè)計(jì)定溫度上限輸入設(shè)定值 lcd顯示溫度信號(hào)采集 更新lcd實(shí)時(shí)溫度顯示 返回圖17 主程序流程3.2 信號(hào)采集與處理流程圖流程圖如18所示，光纖溫度傳感器ts3采集到溫度信息，由集成運(yùn)放進(jìn)行放大，得到方便處理的溫度信號(hào)，送于a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能接收的數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)將處理后的溫度值送于lcd顯示。開始溫度采集微弱信號(hào)放大a/d轉(zhuǎn)換 處理lcd顯示返回 圖18 程序流程圖3.3 a/d轉(zhuǎn)換流程圖 如圖19所示，送于單片機(jī)的信號(hào)需由a/d轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，a/d轉(zhuǎn)換流程圖如下: 開始

19、 初始化啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換a/d轉(zhuǎn)換完成？ n y數(shù)據(jù)輸出延時(shí)結(jié)束圖19 a/d轉(zhuǎn)換流程圖4.調(diào)試與仿真 通過(guò)keil和protues聯(lián)調(diào)對(duì)溫度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下： 圖18 lcd1602顯示仿真圖 從仿真圖可看出，基于光纖溫度傳感器ts3的溫度測(cè)量系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了溫度測(cè)量。5. 結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)對(duì)溫度測(cè)量系統(tǒng)硬件電路和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明：基于光纖溫度傳感器ts3的溫度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)測(cè)溫。該測(cè)量系統(tǒng)采用先進(jìn)的光纖傳感原理，開創(chuàng)了溫度測(cè)量的新方向，更為溫度測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1劉智超，楊進(jìn)華，王高.fbg測(cè)溫系統(tǒng)的光譜校正算法的研究j.光譜學(xué)與光譜分析，2014,

20、7:1793-1796.2趙洪霞，程培紅，鮑吉龍，苞蕾.一種兩段式fbg應(yīng)變和溫度同步測(cè)量的實(shí)現(xiàn)j.光電子激光，2014,6:1071-1074.3趙明富，王念，羅彬彬.基于結(jié)構(gòu)化fbg傳感陣列的溫度及折射率測(cè)量研究j.半導(dǎo)體光電，2014,4:708-712.4劉月明.fbg應(yīng)變傳感器溫度交叉敏感補(bǔ)償技術(shù)研究j.光電技術(shù)應(yīng)用，2014,2:51-56.5張旭蘋.全分布式光纖傳感技術(shù)m.2013.6李冰，徐秋景，曹凡菊.自動(dòng)控制原理m.2014.7余成波.電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)m.2014.8孫雨南，王茜蒨，伍劍，楊愛英.理論基礎(chǔ)與應(yīng)用m.光纖技術(shù),2006.9s.p.bal線性集成電路設(shè)計(jì)m.

21、2014.10王仲東，黃俊橋.物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐m.機(jī)械工業(yè)出版社，2014,2:49-50.附錄#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit lcm_e=p35;/定義接口sbit lcm_rw=p36;sbit lcm_rs=p37;#define lcm_data p1/數(shù)據(jù)接口void lcm_writedata(uchar wdlcm);void lcm_writecommand(uchar wclcm,buysc);uchar lcm_readdata(void);uchar lcm_read

22、status(void);void lcm_init(void);void displayonechar(uchar x, uchar y, uchar ddata);void displaylistchar(uchar x, uchar y, uchar code *ddata);void delay5ms(void);void delay400ms(void);uchar code uctech = 1602a;uchar code net = ;void main(void) delay400ms();/啟動(dòng)等待，等lcm講入工作狀態(tài) lcm_init();/lcm初始化 delay5m

23、s();/延時(shí)片刻(可不要) displaylistchar(6, 1, uctech); displaylistchar(0, 0, net); lcm_readdata();/測(cè)試用句無(wú)意義 lcm_data=255; while(1);/*/void lcm_writedata(uchar wdlcm) lcm_readstatus();/檢測(cè)忙 lcm_data = wdlcm; lcm_rs = 1; lcm_rw = 0; lcm_e = 0;/若晶振速度太高可以在這后加小的延時(shí) lcm_e = 0;/延時(shí) lcm_e = 1;/*/void lcm_writecommand(uc

24、har wclcm,buysc)/buysc為0時(shí)忽略忙檢測(cè) if (buysc) lcm_readstatus();/根據(jù)需要檢測(cè)忙 lcm_data = wclcm; lcm_rs = 0; lcm_rw = 0; lcm_e = 0; lcm_e = 0; lcm_e = 1;/*/uchar lcm_readdata(void) lcm_rs = 1; lcm_rw = 1; lcm_e = 0; lcm_e = 0; lcm_e = 1; return(lcm_data);/*/uchar lcm_readstatus(void) lcm_data = 0xff; lcm_rs =

25、0; lcm_rw = 1; lcm_e = 0; lcm_e = 0; lcm_e = 1; while (lcm_data & 0x80);/檢測(cè)忙信號(hào) return(lcm_data);/*/void lcm_init(void) lcm_data = 0; lcm_writecommand(0x38,0);/三次顯示模式設(shè)置，不檢測(cè)忙信號(hào) delay5ms(); lcm_writecommand(0x38,0); delay5ms(); lcm_writecommand(0x38,0); delay5ms(); lcm_writecommand(0x38,1);/顯示模式設(shè)置,開始要求每次檢測(cè)忙信號(hào) lcm_writecommand(0x08,1);/關(guān)閉顯示 lcm_writecommand(0x01,1);/顯示清屏 lcm_writecommand(0x06,1);/ 顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置 lcm_writecommand(0x0c,1);/ 顯示開及光標(biāo)設(shè)置/*/void displayonechar(uchar x, uchar y, uchar ddata) y &= 0x1; x &= 0xf;/限制x不能大于15，y不能大于1 if (y) x |= 0x40;/當(dāng)要顯示第二行時(shí)地址碼+0x