光纤温度传感器的设计.docx

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1、东吐石油龙喉德程核计福程正家,卷强镀针IO-可温传感,器的心材忱祭电一信息工程当优专业执纵老其名考彳学号代导茏师201?耳?用?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I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。最终依据程序设定的要求，通过本次设计的系统完成相应操作。基本要求：1,光纤温度传感器能精确测量温度，尽量削减信号延迟：2、转换电路中的光极电阻能精确将光信号转换为电信号：3、胜利搭建单片机最小系统，完成对信号的限制。主要叁

2、考资料：1刘国钧,陈绍业，王凤翥,图书馆书目M.北京：高等教化出版社，1957.15-18.2刘润华，刘立山.模拟电子技术JJ.自动化仪表.2005(6):21-23.3宋文绪,杨帆.传感器与检测技术M.高等教化出版社.2007.29314刘瑞宓，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完成期限指导老师专业负责人2012年6月2511光纤温度传感器采纳一种和光纤折射率相匹配的高分子温极材料涂糊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湿度计的设计。传感器以光纤为传输手段，以光作为信号教体，抗干扰实力强，测量结果稳定牢苑。当温度上升时，双金属片的变形量

3、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更，则出射光强将随温度的变更而变更。这种形式的光纤温度i检测精度约为0.5C。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；光纤温度传感器一、设计要求O二、方案设计O1、方案一O2、方案二O三、传感器工作原理1四、光纤温度传感器电路图1五、单元电路设计、介数计算和器件选择21、单元电路设计22、参数计算43、器件选择4六、总结5七、切文献7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，抗干扰实力强，测量结果稳定牢或。当温度

4、上升时，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更，则出射光强将随温度的变更而变更.二、方案设计在温度信号的监测限制方面，有多种类型的传感器可以运用，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，再经由运兑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.图1方案一原理框图2、方案二利用光纤温度传感器作为温度采集的装置，采纳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

5、换为电信号后，经过D转换电路后送入单片机进行信号处理。原理如图2所示。通过方案比较，由于方案一中还须要温敏二极管冷端补偿电路，电路比较困难。而方案二运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：本质平安灵敏度高玳量轻，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.安用，便于成网.通过比较采纳方案二.三、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，当温度上升时，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更。在光纤中传输的单色光波可用如下形式的方程表示E=Encos(ftz+)(1)式中，日是光

6、波的振幅：3是角频率；9为初相角。该式包含五个参数，即强度E.频率(I)、波长=211cn,相位(o+p)和偏振态。光纤传感冷的工作原理就是用被测量的变更调制传输光光波的某一参数，使其随之变更，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更引起光纤中的光强发牛.变更的光纤传感器。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，光敏电阻依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属。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，光线传感器采纳高灵敏度光敏电阻，线性比

7、较好，尤其在室内环境下，且阻值随外界物理量的变更较明显，因而可省去中间放大电路干脆与单片机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转换电路供应2V基准电压.图3光纤温度传感器电路图可调电阻RI用来校准由温源和电源电压降低引起的基准电压降低,R2与R3串联,光线强度的变更通过分压值的变更反应，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i1.M,光线测量得到的电压数放在i1.M中，并依据它推断光线强弱.每Ims取一次A/D转换数据，共取10次是为在100HZ的自然光的个周期中都能取到数据。取10次测量平均

8、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、温度采集部分传感头主要由多模光纤与金属构件组成，金属零件随温度凹凸不同产生.形变也不一样，加载在零件上光纤弯曲损耗大小随之变更金屈件受到温度越高，形变越大，在光源输出光功率稳定状况下，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更时，通过探测器将接收到的不同光信号转换成电信号，进步处理、计算,输HI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a、环境温度I有关，而且与形体结

9、构因子（取决于几何参数）有关。为J提高传感器的灵敏度，温度敏感头金属材料需选用膨微系数较大的，且膨胀系数在整个温度测盘区间要较稳定，仃较好重女性：温度敏感头的结构形态也要考虑的另一个因素,不同的形态，对灵敏度影响很大。、传输部分光纤在这里不仅要作为转换器件运用，同时也作为光信号传输我体，选用对弯曲损耗更敏感的多模光纤，一般地采纳62.5125m标准的多模光纤。由于加载光纤时要施加肯定的张力限制，使得光纤缠绕在金屈零件上，光纤本身就比较简单损坏，敏感头处光纤长时间受到肯定内应力用，必需对光纤的涂层进行加固耐力用，必需对光纤的涂层进行加固耐磨处理，增加传感器运用的牢靠性。E4A/D转换电路图5信号

10、转换电路图6信号处理电路、A/D转换电路利用A/D转换装冏符经过调理后的信号转化成能被单片机识别的信号。而A/D转换的转换猱率由单片机上的一个引脚供应，如图4所示.、信号转换电路温度使金属片形变后，变更r光强的大小，光纤将随时变更的光强传输至光敏电阻，通过电阻分Jk将不同的光强转换为不同大小的电压值输入/VD转换芯片，如图5所示。、信号处理部分信号处理部分主要由数字处理电路组成。数字电路处理运用的美ATME1.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的可反更擦写的只读程序存储器(PEROM)和256by1.cs的随机存取数据存储(RAM),

11、全部采ATME1.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位中心处理器(CPU)利F1.aSh存储单元，功能强大。D转换采纳AD公司生产的12位D574A芯片，转换时间位25悭，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，可以与微机干脆界面。由于温度的变更引起光强的变更不是线性的，因此我们采纳杳表法对其测量值进行线性补偿。2、数计算金属体枳随温度的变更，在这里采纳传统的公式模拟来计算：1.,=i(1.+(r-20C)(2)式中，上1.温度，时的尺寸：1-2(C时的尺寸；U一线膨胀系数，其数学表达式比较

12、困难，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、加工简单、导热较快，并且满意运用范困的金属材料铝，a=23：光纤的参数：采纳标准梯度多模通信光纤，光纤芯包比为62.5125um,数值孔径0.27,单向平均传输损耗为3.IdB/km。入射角的最大值：sin%=ji7-Wj(3)试中n,.hn,分别为空气、纤芯、包层的折射率。3、器件选择转换电路的分压电阻&、&、&分别为10KC、300C、50KC,；稳压管VD5为2V。A，D转换芯片采纳型号为ADQ)804,参考电压输入端口的外面接两个IKC的电阻分压.单片机选用ATC89S52型号，晶振为11.0592MHz并连接两个30p

13、F的瓷片电容，复位电路运用IKa电阻和IOUF的电解电容。系统须要的元器件清单表1元器件清单序号元器件类型元器件规格数里备注R1电阻10K1R2电阻3。Oa1R3电阻SOKC1VD5稳压二极管2V1D1.光软电阻1D2光纤温度传感SS1R6电阻IKC1复位电路用ChC2瓷片电容30pF2品振电路用C3电解电容IOUF1复位电路用S1.开关1复位电路用U2ADC08041A/D转换R4、R5电阻IKC2A/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、试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切倍受青

14、睐.光纤具有许多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原了辎射的性能，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枪测与限制，而其中温度监测是其中之一。本文大体介绍了金屈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更。由于光纤的抗干扰实力优异于其他的传感泯,本人特殊介绍J光纤温度传感器光纤温度传感器作为种新型的测温技术发展非常快速，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r其的推广应用，价格太高使得在某些应用场合监测的实

15、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港的厂家基本都只具备专业研发与生产光纤温度传感器的实力。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荷单，但这也是一个对补充理论学问的一个极佳的契机，对我们所学专业有了更加深刻的r解，更重要的是为以后走向工作岗位面对社会供应了一个不断学习、不断提高自己，在实践中熬炼自己的机会。参考文献1刘国钧，陈绍业，王凤翥.图书馆书目M.北京:高等教化出版社，1957.15T8.2刘润华,刘立山.模拟电子技术U1.自动化仪表.2005(6):21-23.3宋文绪,杨帆.传感器与检测技术国.高等教化出版社.2007.29-314刘