1、東北石油大學課 程 設 計課 程 傳感器課程設計 題 目 光纖溫度傳感器的設計 院 系 電氣信息工程學院 專業(yè)班級 學生姓名 學生學號 指導教師 201?年 ? 月 ?任務書 課程 傳感器課程設計 題目 光纖溫度傳感器的設計專業(yè) 姓名 學號 主要內(nèi)容：本次傳感器課程設計擬設計一個光纖溫度傳感器系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包括對溫度進行采集的光纖溫度傳感器，將光信號轉換成電信號的轉換電路，以及電信號最終送至由52單片機為主體構成的信號處理部分。最終根據(jù)程序設定的要求，通過本次設計的系統(tǒng)完成相應操作?；疽螅?、光纖溫度傳感器能準確測量溫度，盡量減少信號延遲；2、轉換電路中的光敏電阻能準確將光信號轉換為電信號

2、；3、成功搭建單片機最小系統(tǒng)，完成對信號的控制。主要參考資料：1 劉國鈞，陳紹業(yè)，王鳳翥.圖書館目錄M.北京：高等教育出版社， 1957.15-18.2 劉潤華，劉立山.模擬電子技術J.自動化儀表.2005(6):21-23.3 宋文緒,楊帆.傳感器與檢測技術M高等教育出版社.2007.29-314 劉瑞復，史錦彭j光纖傳感器及其應用M.北京:機械工業(yè)出版社， 1997.69-87完成期限 指導教師 專業(yè)負責人 2012年 6 月 25 日摘 要光纖溫度傳感器采用一種和光纖折射率相匹配的高分子溫敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纖外面。本設計完成的是遮光式光纖溫度計的設計。傳感器以光纖為傳輸手段，

3、以光作為信號載體，抗干擾能力強，測量結果穩(wěn)定可靠。當溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強發(fā)生變化，則出射光強將隨溫度的變化而變化。這種形式的光纖溫度計檢測精度約為0.5。它的缺點是輸出光強受殼體振動的影響，且回應時間較長，一般需幾分鐘。關鍵字：光纖；傳感器；光纖傳感器；光纖溫度傳感器目 錄一、設計要求1二、方案設計11、方案一12、方案二1三、傳感器工作原理2四、光纖溫度傳感器電路圖2五、 單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇31、單元電路設計32、參數(shù)計算53、器件選擇5六、總結6七、參考文獻8光纖溫度傳感器的設計一、設計要求 本設計完成的是遮光式光纖溫度

4、計的設計。傳感器以光纖為傳輸手段，以光作為信號載體，抗干擾能力強，測量結果穩(wěn)定可靠。當溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強發(fā)生變化，則出射光強將隨溫度的變化而變化。二、方案設計在溫度信號的監(jiān)測控制方面，有多種類型的傳感器可以使用，其中包括熱電偶傳感器和光纖溫度傳感器。本次設計擬從以下兩種方案考慮：1、方案一利用熱電偶傳感器作為采集溫度的裝置，將采集的到的數(shù)據(jù)經(jīng)溫敏二極管冷端補償電路后，再經(jīng)由運算放大器將信號放大后送入A/D轉換芯片，最終將處理后的信號送入單片機進行信號處理。原理如圖1所示。A/D轉換運放8051單片機溫敏二極管冷端補償電路熱電偶 圖1 方

5、案一原理框圖2、 方案二利用光纖溫度傳感器作為溫度采集的裝置，采用探測信號與傳輸信號兩部分分開的非功能型，經(jīng)由光纖作為傳輸介質(zhì)，光信號經(jīng)過信號轉換電路轉換為電信號后，經(jīng)過A/D轉換電路后送入單片機進行信號處理。原理如圖2所示。 光纖敏感元件8051單片機A/D轉換信號轉換電路圖2 方案二原理框圖通過方案比較，由于方案一中還需要溫敏二極管冷端補償電路，電路比較復雜。而方案二使用的是光線溫度傳感器，此類傳感器以光纖為傳輸手段，以光作為信號載體，抗電磁干擾，電絕緣；本質(zhì)安全靈敏度高重量輕，體積小，外形可變測量對象廣泛對被測介質(zhì)影響小可以進行連續(xù)分布測量，便于復用，便于成網(wǎng)。通過比較采用方案二。 三、

6、傳感器工作原理本次課程設計設計的是遮光式光纖溫度計，當溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強發(fā)生變化。在光纖中傳輸?shù)膯紊獠捎萌缦滦问降姆匠瘫硎?(1)式中，E0是光波的振幅：是角頻率；為初相角。該式包含五個參數(shù)，即強度E02、頻率、波長=2c/n、相位(t+)和偏振態(tài)。光纖傳感器的工作原理就是用被測量的變化調(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對已知調(diào)制的光信號進行檢測，從而得到被測量。因此這是一種利用被測量的變化引起光纖中的光強發(fā)生變化的光纖傳感器。光纖溫度傳感器通過輸出的光纖將光信號作用于信號轉換電路的光敏電阻上，光敏電阻根據(jù)光強不同有不同的

7、電阻值，從而通過電阻分壓，將光信號轉換為電信號后送至單片機的A/D轉換器完成對溫度的測量。四、光纖溫度傳感器電路圖光纖溫度傳感器將光強大小傳輸至光線傳感器，光線傳感器采用高靈敏度光敏電阻，線性比較好，尤其在室內(nèi)環(huán)境下，且阻值隨外界物理量的變化較明顯，因而可省去中間放大電路直接與單片機IOA1端口相連。光線溫度測量電路如圖所示。整個電路由5V電池供電，2V的穩(wěn)壓管為A/D轉換電路提供2V基準電壓。圖3 光纖溫度傳感器電路圖可調(diào)電阻R1用來校準由溫漂和電源電壓降低引起的基準電壓降低，R2與R3串聯(lián)，光線強度的變化通過分壓值的變化反應，并輸?shù)絾纹瑱CP27端口，進行A/D轉換。P27端口設置為懸浮輸入

8、口，在單片機中定義變量iLM，光線測量得到的電壓數(shù)放在iLM中，并根據(jù)它判斷光線強弱。每1ms取一次A/D轉換數(shù)據(jù)，共取10次是為在100Hz的自然光的一個周期中都能取到數(shù)據(jù)。取10次測量平均值查表得到光強。溫度測量與光線測量原理基本相同。該模塊電路如圖3所示。5、 單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇1、單元電路設計、溫度采集部分傳感頭主要由多模光纖與金屬構件組成，金屬零件隨溫度高低不同產(chǎn)生形變也不一樣，加載在零件上光纖彎曲損耗大小隨之改變金屬件受到溫度越高，形變越大，在光源輸出光功率穩(wěn)定情況下，光纖彎曲損耗增加時，探測器接收到的光功率就會減小，反之，接收到的光功率增大。當傳感頭處的溫度場發(fā)生變

9、化時，通過探測器將接收到的不同光信號轉換成電信號，進一步處理、計算，輸出外界的溫度值大小。金屬零件在熱變形時，其變形量不僅與零件尺寸、組成該形體的材料線膨脹系數(shù)、環(huán)境溫度t 有關，而且與形體結構因子(取決于幾何參數(shù))有關。為了提高傳感器的靈敏度，溫度敏感頭金屬材料需選用膨脹系數(shù)較大的，且膨脹系數(shù)在整個溫度測量區(qū)間要較穩(wěn)定，有較好重復性；溫度敏感頭的結構形狀也要考慮的另一個因素，不同的形狀，對靈敏度影響很大。、傳輸部分光纖在這里不僅要作為轉換器件使用，同時也作為光信號傳輸載體，選用對彎曲損耗更敏感的多模光纖，一般地采用62.5/125m 標準的多模光纖。由于加載光纖時要施加一定的張力控制，使得光

10、纖纏繞在金屬零件上，光纖本身就比較容易損壞，敏感頭處光纖長時間受到一定內(nèi)應力用，必須對光纖的涂層進行加固耐力用，必須對光纖的涂層進行加固耐磨處理，增加傳感器使用的可靠性。圖4 A/D轉換電路圖5 信號轉換電路圖6 信號處理電路、A/D轉換電路利用A/D轉換裝置將經(jīng)過調(diào)理后的信號轉化成能被單片機識別的信號。而A/D轉換的轉換頻率由單片機上的一個引腳提供，如圖4所示。、信號轉換電路溫度使金屬片形變后，改變了光強的大小，光纖將隨時改變的光強傳輸至光敏電阻，通過電阻分壓，將不同的光強轉換為不同大小的電壓值輸入A/D轉換芯片，如圖5所示。 、信號處理部分 信號處理部分主要由數(shù)字處理電路組成。數(shù)字電路處理

11、使用的美ATMEL公司生產(chǎn)AT89C52 單片機，是一塊具有低電壓、高性能CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含8k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲（RAM），全部采ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，與標準MCS51 指令系統(tǒng)及8052 產(chǎn)品引腳容，片內(nèi)置通用8 位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大。A/D 轉換采用AD 公司生產(chǎn)的12 位D574A 芯片，轉換時間位25s，數(shù)字位數(shù)可設定為12 位，也可設為8 位，內(nèi)部集成有轉換時鐘、參考電壓和三態(tài)輸出鎖存，可以與微機直接界面。由于溫度的變化引起光強的變化不是

12、線性的，因此我們采用查表法對其測量值進行線性補償。2、參數(shù)計算金屬體積隨溫度的變化，在這里采用傳統(tǒng)的公式模擬來計算： (2) 式中，Lt溫度t 時的尺寸；L20時的尺寸；線膨脹系數(shù)，其數(shù)學表達式比較復雜，可選用平均線膨脹系數(shù)，經(jīng)過查表可知。線膨脹系數(shù)：選用成本較低、加工容易、導熱較快，并且滿足使用范圍的金屬材料鋁，=23；光纖的參數(shù)：采用標準梯度多模通信光纖，光纖芯包比為62.5/125um，數(shù)值孔徑O.27，單向平均傳輸損耗為3.1dB/km。入射角的最大值： (3)試中n1、n2、n3分別為空氣、纖芯、包層的折射率。3、 器件選擇轉換電路的分壓電阻、分別為10K、300、50K，穩(wěn)壓管VD

13、5為2V。A/D轉換芯片采用型號為ADC0804，參考電壓輸入端口的外面接兩個1K的電阻分壓。單片機選用ATC89S52型號，晶振為11.0592MHz并連接兩個30pF的瓷片電容，復位電路使用1K電阻和10uF的電解電容。系統(tǒng)需要的元器件清單表1 元器件清單序號元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注R1電阻10K1R2電阻3001R3電阻50K1VD5穩(wěn)壓二極管2V1D1光敏電阻1D2光纖溫度傳感器1R6電阻1K1復位電路用C1、C2瓷片電容30pF2晶振電路用C3電解電容10uF1復位電路用S1開關1復位電路用U2ADC08041A/D轉換R4、R5電阻1K2A/D轉換六、總結本期學習了傳感器原理與

14、應用，此學科無論在理論基礎、系統(tǒng)設計還是在設計程序、實驗方法等方面都向著數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化方面發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質(zhì)軟、重量輕的機械性能；絕緣、無感應的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等。由于本人所學的是測控技術與儀器專業(yè)，我們所學的就是對信號的檢測與控制，而其中溫度監(jiān)測是其中之一。本文大體介紹了金屬熱膨脹式光纖溫度傳感器的設計，利用金屬件的熱膨脹的原理，通過繞制在金屬件上的光纖損耗產(chǎn)生變化。由于光纖的抗干擾能力優(yōu)異于其他的傳感器，本人特別介紹了光纖溫度傳感器。光纖溫度傳感器作

15、為一種新型的測溫技術發(fā)展十分迅速，應用也越來越廣泛，但存在以下幾個方面的問題：光纖溫度傳感器在價格上的劣勢制約了其的推廣應用，價格太高使得在某些應用場合監(jiān)測的實際意義不大。光纖在某些電氣設備上的敷設較為困難，最好能在敷設方式和敷設工藝等方面形成業(yè)內(nèi)認可的施工指導與標準規(guī)范。目前生產(chǎn)光纖溫度傳感器的廠家基本都只具備專業(yè)研發(fā)與生產(chǎn)光纖溫度傳感器的能力。在這次的學習中，我是受益匪淺的。本次課程設計并不是想象那么容易，但這也是一個對補充理論知識的一個極佳的契機，對我們所學專業(yè)有了更加深刻的了解，更重要的是為以后走向工作崗位面向社會提供了一個不斷學習、不斷提高自己，在實踐中鍛煉自己的機會。參考文獻1 劉

16、國鈞，陳紹業(yè)，王鳳翥.圖書館目錄M.北京：高等教育出版社，1957.15-18.2 劉潤華,劉立山.模擬電子技術J.自動化儀表.2005(6):21-23.3 宋文緒,楊帆.傳感器與檢測技術M高等教育出版社.2007.29-314 劉瑞復，史錦彭j光纖傳感器及其應用M.北京:機械工業(yè)出版社， 1997.69-875 孫圣和,王廷云,徐穎.光纖測量與傳感技術M.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版 社，2001.78-966 王瑋，周邦全,張在宣,等.分布式光纖拉曼光子溫度傳感器系統(tǒng)的測量精度J.光學學報,1999,19(1):100-1557 黃尚廉.分布式光纖傳感器現(xiàn)狀與動向J光電工程，2000,(3):57.628 劉恭,鄒建,黃尚廉基于普通光纖的分布式溫度傳感系統(tǒng)J光學工程，1996，23(2):57-61東北石油大學課程設計成績