1、 題 目： 基于光纖傳感的溫度測量系統設計 姓 名： 劉芳 學 號： 201105100050 學 院： 物理與機電工程學院 專 業： 光電子技術科學 年級班級： 2011級2班 指導教師： 王少輝 年 月 日畢業論文（設計）作者聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。本人完全了解有關保障、使用畢業論文的規定，同意學校保留并向有關畢業論文管理機構送交論文的復印件和電子版。同意省級優秀畢業論文評選機構將本畢業論文通過影印、縮印、掃描等方式進行保存、摘編或匯編；同意

2、本論文被編入有關數據庫進行檢索和查閱。本畢業論文內容不涉及國家機密。論文題目：作者單位：作者簽名： 年 月 日 目 錄摘要1引言11. 總體設計方案21.1方案設計2 1.2光纖溫度傳感器ts332. 硬件電路設計62.1放大電路62.2 a/d轉換電路92.3 lcd顯示電路102.4 報警電路122.5 按鍵電路122.6 系統硬件電路圖133.軟件系統設計133.1主程序流程圖133.2 信號采集與處理流程圖153.3 a/d轉換流程圖164.調試與仿真175. 結束語17參考文獻18附錄19致 謝23基于光纖傳感的溫度測量系統設計 摘要：本文設計了基于光纖溫度傳感器ts3的溫度測量系統

3、,光纖溫度傳感器ts3采用熒光型光纖傳感原理,實現了多點測溫,同時有報警功能。溫度測量系統主要由光纖溫度傳感電路，a/d轉換電路,集成運放電路,時鐘電路,報警電路，鍵盤和顯示電路等組成。介紹了光纖溫度傳感器ts3的工作過程，溫度測量系統的運作機制，并進行了軟件仿真。仿真結果表明：基于光纖溫度傳感器ts3的溫度測量系統具有良好的多點測溫性能。 關鍵詞：ts3;多點測溫;溫度測量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量，可以通過兩種方法檢測空間溫度，玻璃管溫度計、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計等是直接接觸被測物得到溫度信息的，還有一種可以不接觸被測物而得到同樣真實可靠的溫度信息的途徑，就是間接式測溫1。光纖溫度傳感器屬于間接式測溫2。在一些工作狀況，如環境惡劣、有較強的電磁輻射、易起火、易發生危險，還有需要響應迅速、不能接觸的地方，光纖溫度傳感技術顯現出不凡的價值。 因為光纖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專家、學者以及商家的親睞。由于光纖溫度傳感器運作時可以通過調制光處理溫度信號，傳感器多采用石英光纖來加工制造，大大降低了

8、能源浪費所帶來的高昂損失，將溫度信號傳輸至幾公里之外仍無溫度偏差。因此，傳感器在投入其它領域應用時可遠離危險的地方，提高了安全系數。在輻射測溫中，光纖輕，細，隨意折疊成任意形狀以適應一些隱秘工作條件下的溫度測量，給惡劣作業條件測量溫度帶來了便捷，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。第二種測溫實質是其物理參數隨溫度變化。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，因為它的溫度靈敏度非常高，實用性強，結構簡單、抗干擾能力強等，在實際生活中已得到應用。另外，傳光型光纖溫度傳感器只需一個溫度敏感器件，用一根光纖來傳輸信息，再

9、加上光纖耦合器，便構成了光纖傳感器。 隨著科技的發展，光纖已被廣泛應用于生活的各個角落，光纖溫度傳感器詩是個具有魔力的器件。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題，材料和光纖需相協調適應，當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、偏振態、強度和相位等隨溫度而時刻變化，正是由于這一系列參數的敏感度，使得光纖溫度傳感器具有魔力，這是典型的非接觸式測溫3。 傳光型光纖溫度傳感器的傳感原理比較簡單，容易實現，傳感型光纖溫度傳感器的實質是：光纖作為敏感器件，其接收外界溫度信號的變化，導致自身振幅、相位、波長、功率、光強等物

10、理參數發生變化，來實現測溫。傳光型光纖溫度傳感器敏感度低，但因其生產成本較低，在一些不要求特別精確的場合很容易投入使用，市場前景還算良好。 1. 總體設計方案1.1方案設計 本設計是基于傳感型光纖溫度傳感器本身具有的物理參數隨溫度變化的特性、單片機對數字信號的高敏感性和可控性，設計出光纖溫度傳感器ts3和以單片機為核心的一套溫度檢測與控制系統。整個系統包括溫度采集模塊、集成運放模塊、a/d轉換模塊、按鍵輸入模塊、報警模塊和顯示模塊。系統總體框圖如圖1所示：溫度信號采集集成運放a/d轉換 單 片 機顯示電路 按鍵 輸 入時鐘電路報警電路圖1 系統總體框圖 溫度采集模塊：石英光纖敏感頭暴露于系統內

11、，當系統內溫度發生變化時，光纖敏感頭接收這一信息，通過光纖傳輸溫度變化信息，即光波的物理參數變化，最后由光電轉換器接收光波信息，并將光信號轉化為電信號。集成運放：由于采集到的溫度信號比較微弱，需對其進行放大。a/d轉換模塊：溫度信號最終要送至單片機進行處理，因此需將模擬信號轉換為數字信號。按鍵輸入模塊：設定兩個按鍵，分別用來增加和減少溫度值。啟動光纖溫度傳感器ts3，采集溫度信號，送至單片機控制系統處理，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題，材料和光纖需相協調適應，當光沿著一條光纖入射，讓其從另一條光線出射。因為溫度的變化引起材料折射率發生改變，光波的功率輸出發生變化時，隨其一起變化的溫度也有規律地變化3。光波的物理參量如波長、偏振態、強度和相位等隨溫度而時刻變化，正是由于這一系列參數的敏感度，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，從發光二極管發出的光經過處理,先進入聚光鏡，經過耦合再傳輸至光

13、纖的一端,光纖耦合器接收到出射光，對其進行耦合，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光照射，受激而發射特殊的熒光,熒光信號快速沿著光纖傳輸,接下來是光纖耦合器，經過耦合的熒光從傳輸光纖的另一端射出,最終由光電探測器接收，這時，光電探測器獲得溫度信號6。 1.2.3光纖溫度傳感器ts3的技術參數 測溫范圍：-199+299 精 度：1 響應時間：1.5s1.2.4光纖溫度傳感器ts3的應用在醫療方面，ts3光纖溫度傳感器可用于體表膚質檢測，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 患者溫度監控系統光纖溫度傳感器ts3的otg-m

14、420和otg-mpk5光纖溫度傳感器絕對安全，在一些需要應用高科技手段的場合，如x射線、ct檢測中，兒童發高燒治療中，能得到高精度的溫度信息。ts3的opp-m可用于心血管血壓監控，本質安全，提供動態頻率響應時間，極小的溫漂和濕度引起的漂移，緊湊的末端感應溫度傳感器為提供高精度的溫度讀取而設計，對電磁，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“傳感器到傳感器”和“系統到系統”，傳感器可以混合和匹配，精度沒有任何降低，容易安裝和嵌入導尿管，整個系統（信號解調器和傳感器）精度為0.3，不需要輸入標定序列號，具有競爭力的低成本解決方案7。圖5 ts3的

15、溫度監控 光纖溫度傳感器 otg-m裝置穩定，不受干擾，使用方便，在惡劣條件下也能大顯身手。 動物生理溫度監控：ts3的 otg-m 系列與核磁共振相容的光纖溫度傳感器專為動物生理溫度監控而設計，在磁共振和射頻情況下提供實時精確溫度讀取8。 圖6 動物生理溫度監控2. 硬件電路設計2.1放大電路光纖溫度傳感器接收光信號經處理后的模擬信號轉化為數字信號并進行放大，有3種方法可供選擇。方法一：采用晶體管電路構成，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：由運算放大器構成，如圖9所示。 圖9 運算放大器 經分析，方法一由晶體管構成的放大器和方法二由

16、構成的放大器在電路結構上比方法三由運算放大器構成的放大器復雜，而且運算放大器構成的放大在輸入、輸出阻抗和信噪比要求上能達到本系統的要求，所以采用方法三。2.2 a/d轉換電路 adc0809芯片具有高精度，高的轉換效率，低功耗的優點，其引腳及轉換原理分別如圖10，圖11所示：圖10 adc0809引腳通道開關選擇 通道地址鎖存和譯碼逐次逼近寄存器(sas)8位鎖存器和三態門定時和控制clock開關樹形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轉換電路原理 本設計中單片機與adc08

17、09的連接圖如圖12所示。圖12 單片機與adc0809的連接2.3 lcd顯示電路在lcd1602上顯示所測溫度，接線方式如圖13所示 圖13 lcd16022.4 報警電路 溫度報警：當系統溫度不在控制范圍時，蜂鳴器鳴響，報警電路如圖14所示：圖14報警電路2.5 按鍵電路 輸入按鍵有兩個，分別用于加減溫度上限值。如圖15所示：圖15 按鍵電路2.6 系統硬件電路圖系統的總體硬件電路圖如圖16所示: 圖16 總體硬件電路3.軟件系統設計3.1主程序流程圖 如下圖17所示,本系統特別選用光纖溫度傳感器ts3探測溫度信息，將溫度信息送至放大器處理以獲得較大的信號，將放大后的信號送至a/d轉換器

18、，這時模擬信號轉換為數字信號，單片機對接收到的溫度信號進行處理，最終由lcd顯示器顯示溫度值。開始等待輸入設計定溫度上限輸入設定值 lcd顯示溫度信號采集 更新lcd實時溫度顯示 返回圖17 主程序流程3.2 信號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，由集成運放進行放大，得到方便處理的溫度信號，送于a/d轉換器轉換為單片機能接收的數字信號，單片機將處理后的溫度值送于lcd顯示。開始溫度采集微弱信號放大a/d轉換 處理lcd顯示返回 圖18 程序流程圖3.3 a/d轉換流程圖 如圖19所示，送于單片機的信號需由a/d轉換器變成數字信號，a/d轉換流程圖如下: 開始

19、 初始化啟動a/d轉換a/d轉換完成？ n y數據輸出延時結束圖19 a/d轉換流程圖4.調試與仿真 通過keil和protues聯調對溫度測量系統進行仿真，仿真結果如下： 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的溫度測量系統很好地實現了溫度測量。5. 結束語 通過對溫度測量系統硬件電路和軟件系統的設計，仿真結果表明：基于光纖溫度傳感器ts3的溫度測量系統實現了多點測溫。該測量系統采用先進的光纖傳感原理，開創了溫度測量的新方向，更為溫度測量系統的發展奠定了基礎。參考文獻1劉智超，楊進華，王高.fbg測溫系統的光譜校正算法的研究j.光譜學與光譜分析，2014,

20、7:1793-1796.2趙洪霞，程培紅，鮑吉龍，苞蕾.一種兩段式fbg應變和溫度同步測量的實現j.光電子激光，2014,6:1071-1074.3趙明富，王念，羅彬彬.基于結構化fbg傳感陣列的溫度及折射率測量研究j.半導體光電，2014,4:708-712.4劉月明.fbg應變傳感器溫度交叉敏感補償技術研究j.光電技術應用，2014,2:51-56.5張旭蘋.全分布式光纖傳感技術m.2013.6李冰，徐秋景，曹凡菊.自動控制原理m.2014.7余成波.電氣設備絕緣在線監測m.2014.8孫雨南，王茜蒨，伍劍，楊愛英.理論基礎與應用m.光纖技術,2006.9s.p.bal線性集成電路設計m.

21、2014.10王仲東，黃俊橋.物聯網的開發與應用實踐m.機械工業出版社，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/數據接口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();/啟動等待，等lcm講入工作狀態 lcm_init();/lcm初始化 delay5m

23、s();/延時片刻(可不要) displaylistchar(6, 1, uctech); displaylistchar(0, 0, net); lcm_readdata();/測試用句無意義 lcm_data=255; while(1);/*/void lcm_writedata(uchar wdlcm) lcm_readstatus();/檢測忙 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 lcm_e = 0;/延時 lcm_e = 1;/*/void lcm_writecommand(uc

24、har wclcm,buysc)/buysc為0時忽略忙檢測 if (buysc) lcm_readstatus();/根據需要檢測忙 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);/檢測忙信號 return(lcm_data);/*/void lcm_init(void) lcm_data = 0; lcm_writecommand(0x38,0);/三次顯示模式設置，不檢測忙信號 delay5ms(); lcm_writecommand(0x38,0); delay5ms(); lcm_writecommand(0x38,0); delay5ms(); lcm_writecommand(0x38,1);/顯示模式設置,開始要求每次檢測忙信號 lcm_writecommand(0x08,1);/關閉顯示 lcm_writecommand(0x01,1);/顯示清屏 lcm_writecommand(0x06,1);/ 顯示光標移動設置 lcm_writecommand(0x0c,1);/ 顯示開及光標設置/*/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;/當要顯示第二行時地址碼+0x