比色光纤测温仪设计（控制部分）【文献综述】.doc

1、毕业设计文献综述 电气工程及其自动化 比色光纤测温仪设计（控制部分） 前言 温度是冶金、钢铁、建筑材料、化工等众多行业确保顺利生产和进行质量控制的重要参数 , 因此国内外都投入很大力量研究和改进测温技术。 7由于在一些易燃易爆、强电磁干扰、强腐蚀、空间狭小、直接瞄准有困难的场合 , 传统的热电偶法和光学高温计难以胜任 , 因此光纤高温计的研究受到了广泛的重视。比色光纤高温计在一定程度上还能克服高温物体的辐射及少量烟雾、水汽和粉尘的影响。它的应用减少了铂铑等贵金属的消耗 , 解决了许多常规测温方法不能解决的测温难 题 , 因此成为竞相研究的课题之一。 5 比色 光纤 温度计（也叫双色温度计） 是

2、 通过测量两个波长的单色辐射亮度之比值来确定物体温度的仪表。属于非接触式温度传感器。根据黑体辐射基本定律的维恩公式，温度为 T的黑体 ,对应波长为 1 和 2 的光谱辐射亮度之比 R 可用下式表示：该式即为比色温度计的分度公式。当黑体的两个波长 1 和 2 的辐射亮度之比等于实际物体的相应亮度比时，黑体的温度就称为实际物体的比色温度。 1对于绝对黑体和灰体，比色温度即为真实温度。对于不满足绝对黑体和灰体辐射条件的实际物体还应采用修正方法来求出真实 温度。 主题 本次设计是用于 高温铸造炉温度的检测 。 高温铸造炉常年工作在 1500以上的高温环境，内部环境恶劣，但是对于温度的精确控制要求较高，

3、所以需要一个精确度高，抗干扰强的温度测量仪器来进行测量监控，并及时的反应当前的详细温度来加以控制炉温。 工业上常用的 热电偶测温 仪它 的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路 ,当两端存在温度梯度时 ,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在 Seebeck 电动势 热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的 一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系 ,制成热电偶分度表 ;分度表是自由端温度在 0 时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时 ,只要该材料两

4、个接点的温度相同 ,热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此 ,在热电偶测温时 ,可接入测量仪表 ,测得热电动势后 ,即可知道被测介质的温度。 3 热电偶 传感器 有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响， 并且他的工作端要 与原料接触，而原来的温度都非常的高，对于热电偶的损耗很大，保养也很麻烦。 如果利用热电偶测温 ,将热电偶固定在原料棒表面 ,原料首先与热电偶发生能量交换 ,从而难以测量到试样的真实温度。采用 比色 光纤 温度计 测温是比较可行的方法 ,它适合于1500以上炉温的非接触式测温 ,响应快

5、,并可与仪表组合成温度测控系统 ,实现对炉温的自动控制。 光纤挠性好、透光谱段宽、传输损耗低 ,无论是就地使用或远传均十分方便 , 而且光纤直径小 , 可以单根、成束、 Y 型或阵列方式使用 , 结构布置简单且体积小。 1因此 ,作为温度计适 用的检测对象几乎无所不包 , 可用于其他温度计难以应用的特殊场合 , 如密封、高电压、强磁场、核辐射、严格防爆、防水、防腐、特小空间或特小工件等。 比色光纤温度计属于 辐射式测温 ， 辐射式测温 仪表 是目前冶金行业高温测量中应用广泛的一种仪表，主要应用于冶炼、铸造、轧制、热处理及耐火材料等生产工序中。物理学中，当任何物体处于绝对零度以上时，因其内部带电

6、粒子的运动，都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量，但这种能量随温度变化按一定趋势变化。辐射式测温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。在测量时，只需把温 度计光学接收系统对准被测物体（不必与物体接触），即可测量运动物体的温度，而不会破坏物体的温度场。由于测温仪感温元件具有接收辐射能而不必达到被测物体温度的特性，从理论上讲测量的物理性是没有限制的，测量工序中高温是可行的。 4辐射式温度计由辐射感温器和显示仪表两部分组成，它用来测量 400-2000 的高温，近来随着红外技术的发展，测温的下限己达到常温区，大大扩展了辐射式测温方法的使用范围。 比色式辐射测温是通过测量物体两个波段

7、上的辐射亮度，并根据它们的比值来确定被测物体温度的。光纤辐射式测温属一种非接触式测 温。其理论源于黑体辐射能量分布的普朗克定理。根据普朗克公式有 151 )1( 2 tCT eCM 式中： TM 绝对黑体发射的光谱辐射通量密度； CI、 C2 一普朗克第一、第二辐射常数； 一黑体辐射波长， T 绝对黑体热力学温度。一般物体均为非黑体，所以色温是指绝对黑体在这个温度下，其窄波 1 和 2 内的辐射亮度之比与被测物体在这两波段内的辐 射亮度之比相等。 11 即式中： TsTsTsTs MMMM.2.12121 1 和 2 被测物体在 1 和 2 范围内的平均发射率； TsM.1 和 TsM.2 单

8、色光谱辐射亮度。在实际中受环境等各种因素的影响，精确测量 ),( T 具有 较大困难。这就是单色法测量误差大的主要原因。若利用不同波长的滤光片，取出同一物体发射的两个不同波段的辐射，辐射计对这两个波段的比值作出响应，当所选择两个波段的 值相近时，则 影响就可以被消除。比色光纤测温传感器就是利用不同工作波长的两路输出信号的比值与温度的单值关系来确定物体的温度。当 21 此时色温 Ts 就准确地反映了物体的真实温度。 8 比色光纤测温传感器分为光路部分和电路部分。 光路部分主要由聚光镜头、分光部分和波长选择部分组成。电路部分主要由光电转换、放大电路、计算机和显示部分组成。非接触式测温探头汇集其视场

9、内目标物体的辐射能量，将辐射体的辐射能由光学透镜耦合进石英光纤，经光纤传输于远端分成两路经过滤光后到达探测器，实现光电转换，然后经过信号处理，把电压信号转换成对应的温度值。 非接触式光纤探头就是设计一套固定焦距、长景深的聚光透镜系统 , 将高温物体辐射的光信号聚焦进传输光纤 , 它不受测温温度的限制 , 应用非常广泛。 13 光耦合器光耦合器包括圆柱形金属外壳、透镜和光纤束组成。 为了提高聚焦的效率 , 同时不对目标尺寸有过分的限制 , 使用了一个透镜 , 把被测目标聚焦到光纤端面上。接收目标上轴向点的辐射角的大小以及探测器的辐照度由透镜的外露直径所确定，而探测器的有效面积决定了视野。轴向的点

10、辐射源所产生的探测器的辐照度由下式求出 2sinLjE 其中 , E 为探测器的辐照度 ; 为透镜的透过率 ; L 为辐射源的辐射亮度 ; 为角度。 上式表明，如果角为常数 , 则在给定温度下探测器的辐照度也保持常数。其读数与被测目标的距离以及聚焦条件无关 , 只要目标的尺寸 大到足以覆盖视野即可。 为了尽量减小光在传输中的损失 , 最大限度到达探测端 , 同时又要兼顾到传输光的波长 , 在大多数情况下 , 光纤材料是采用玻璃或石英纤维因为它们在 0. 5 2 m 的光谱间隔内有良好的传输性能。 由于用单根光纤传输 , 其传输能量有限 , 致使在传输距离上受到限制 , 为了解决这个问题 , 扩

11、大光的接收面积 , 提高接收光的辐射能量 , 传感器采用多根 100/ 125 大芯径的光纤作为空间传输光路 , 使环境干扰因素如尘埃、水汽等对测量结果的影响大大减小。 辐射光沿多模光纤传输 , 至电子信号处理单元 处 , 为保证光电探测器探测到单一波长的辐射光 , 在光电探测器前端加一窄带干涉滤光片 , 以确定有效波长。经不同探测器形成 2路探测信号 , 通过光电转换得到 2 路与被测温度信号呈线性关系的电压信号 , 此 2 路电信号分别通过交流放大滤波 ,以提高信噪比和测量精度。 2同时 , 在光纤末端加入扰模器，可以部分消除因光纤弯曲、扭转等不定因素所带来的随机传输损耗 , 提高系统的稳

12、定性。再通过信号的采样保持、 A/D（模 / 数） 转换 ; 最后进入微处理器系统 , 通过对这 2 路数字信号的分析计算得出比值 , 与已固化在程序存贮器中的 标准温度值进行比较、计算 , 得到温度值。 把得到的温度通过单片机处理转换得出输出信号对铸造炉电源开关进行控制，从而控制温度的变化。 单片机控制开关电源，单从对电源输出的控制来说，可以有几种控制方式。 其一是单片机输出一个电压（经 DA 芯片或 PWM 方式），用作电源的基准电压。这种方式仅仅是用单片机代替了原来的基准电压，可以用按键输入电源的输出电压值，单片机并没有加入电源的反馈环，电源电路并没有什么改动。这种方式最简单。其二是单片

13、机扩展 AD，不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，调整 DA 的输出，控制 PWM 芯片，间接控制电源的工作。这种方式单片机已加入到电源的反馈环中，代替原来的比较放大环节，单片机的程序要采用比较复杂的 PID 算法。 其三是单片机扩展 AD，不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，输出 PWM 波，直接控制电源的工作。 6以上的几种方法可以按实际的情况进行选择。 总结 光纤温度传感器不但测温对象广，从监测相对低温 的生物过程到监测高温的发动机零 件，而且测量准确度、灵敏度高，抗电磁场能力强，传输距离远，使用寿命也很长，价格相对传统温度传感器低 廉，使用更经济 +

14、 今后，光纤温度传 感器研究的方 向将是进一步提高传感器的精度、可靠性；提高抗干扰能力、 稳定性，并简化器件结构，降低成本。 通过查找文献资料，使自己在资料搜集与分类中对资料的归纳、分析、综合运用能力上得到了极大的提高，为今后从事各种科研活动起了极大帮助的铺垫作用。 参考文献 1 王幸之，钟爱琴，王雷，等 . AT89系列单片机原理与接口技术 M. 北京：北京航空航天大学出版社 . 2005 2 毛谦敏 . 单片机原理及应用系统设计 M. 北京：国防工业出版社， 2005年 3 郑学坚，周斌微型计算机原理及应用 M北京：清华大学出版社 ， 2005 4 余锡存，曹国华 单片机原理及接口技术 M

15、. 西安 ： 西安电子科技大学出 版社 . 2006 5 顾德英，张健，马淑华 . 计算机控制技术 M. 北京：北京邮电大学出版社 . 2006 6 齐志才， 张志良，马彪 . 单片机原理与控制技术 M. 北京： 机械工业出版社 .2005 7 姜志海 . 单片机原理及应用 . 北京：电子工业出版社 M. 2005 8 何希才，薛永毅 . 传感器及其应用实例 M. 北京：机械工业出版社 . 2007 9 赵继印 .MCS-51 系列单片机原理及接口技术 M. 北京 ： 中国建筑工业出版社， 2005 10 苏家键，曹柏荣，汪志峰 . 单片机原理与应用技术 M. 北京 ：高等教育出版社 . 20

16、04 11 韩保军 . 传感器原理及应用技术 M. 西安：西安电子科技大学出版社 . 2006 12 吴黎明 . 单片机原理及应用技术 M. 北京 ：科学出版社 . 2005 13 Bhatt R P. Magnetic flinted based smart centrifugal switch J. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2002， 34(2)： 56-67 14 范新有，民用锅 炉温度测控仪的研制与开发 D. 西安：西安交通大学 .2001. 15 王雷，单片机软件三重监视抗干扰技术 J. 北京 ：工业仪表与自动化装置 .2000,24(3):23-28、 16 Karimi M， Mokhtari H， Iravani R Wavelet based on-Line disturbance detection for power quality applicationsJ IEEE Trans.on Power Delivery， 2000， 15(4)：1212-1220