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传感器课程设计题目光纤温度传感器的设计专业姓名学号主要内容：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：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：[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.........................................................1二、方案设计.........................................................11、方案一........................................................12、方案二........................................................1三、传感器工作原理...................................................2四、光纤温度传感器电路图.............................................2五、单元电路设计、参数计算和器件选择................................31、单元电路设计..................................................32、参数计算......................................................53、器件选择......................................................5六、总结.............................................................6七、参考文献.........................................................8传感器课程设计1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2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)cos(0tEE(1)式中，错误!未找到引用源。0是光波的振幅：ω是角频率；φ为初相角。该式包含五个参数，即强度错误!未找到引用源。02、频率ω、波长γ=2πc/nω错误!未找到引用源。、相位(ωt+φ)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3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。五、单元电路设计、参数计算和器件选择1、单元电路设计⑴、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，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，输出外界图3光纤温度传感器电路图传感器课程设计4图6信号处理电路的温度值大小。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α、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。⑵、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62.5/125μm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。图4A/D转换电路图5信号转换电路传感器课程设计5⑶、A/D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。⑷、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。⑸、信号处理部分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CMOS8位单片机，片内含8kbytes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25μs，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、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：)]20(1[CtLLot(2)式中，Lt—温度t时的尺寸；L—20℃时的尺寸；α—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α：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，α=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：2221001sinnnni(3)试中n1、n2、n3分别为空气、纤芯、包层的折射率。3、器件选择传感器课程设计6转换电路的分压电阻1R、2R、3R分别为10KΩ、300Ω、50KΩ，稳压管VD5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1KΩ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1KΩ电阻和10uF的电解电容。系统需要的元器件清单表1元器件清单序号元器件类型元器件规格数量备注R1电阻10KΩ1R2电阻300Ω1R3电阻50KΩ1VD5稳压二极管2V1D1光敏电阻1D2光纤温度传感器1R6电阻1KΩ1复位电路用C1、C2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U2ADC08041A/D转换R4、R5电阻1KΩ2A/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。由于光传感器课程设计7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：①光纤温