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光纖傳感測溫儀是一種非接觸式測溫方法與光纖傳感技術相結合，實現高精度、高重復性、快速響應、非接觸式測量和高性價比的新型光纖傳感類測溫系統。該類測溫儀利用光纖的空間濾波效應，使入射光波從空間瞬態變為空間穩態，消除雜散光的影響，提高測量的精度和穩定性；將光纖探頭和電子處理單元隔離，使信號處理單元不受環境高溫影響，提高抗電磁干擾能力；響應速度快；根據熱源溫度，選擇最佳工作波段。 有時需要對范圍很寬的溫度信號進行測量，但是實現寬溫度范圍的測量，采用一個探測器的光纖傳感測溫儀很難達到要求。為了解決單一探測器光纖傳感測溫儀范圍窄的不足，設計了利用雙光路系統，采用兩個不同波長范圍探測器的光纖傳感測溫儀，實現測量溫度范圍的擴展，將測溫范圍的下限和上限延伸。實現大動態范圍要求的光纖傳感測溫的關鍵技術之一是適應大動態范圍要求的高信噪比電子數據處理系統的設計。電子數據處理系統應采用高阻抗低噪聲前放。500℃~1800℃溫度范圍的光功率動態范圍高達105W量級，遠遠超出放大器的動態范圍，采用電子開關動態范圍擴展技術將測溫范圍分成若干溫度段，問題就能解決?同時采用數據擬合等技術來實現高精度的測量。 1 儀器基本原理框圖及功能框圖 整個儀器主要分為以下幾個部分?信號拾取單元、模數轉換單元、鍵盤與顯示單元、8051單片機系統單元、RS-232通訊單元以及數模轉換單元。整個原理框圖如圖1所示。 儀器的工作過程為：用光纖將物體的輻射傳導至探測器，探測器輸出電信號完成光電轉換；利用信號拾取單元將電信號調理，然后將電信號經過A/D轉換成數字信號用8051單片機處理；在單片機中用軟件完成被測物體溫度的非線性校正、溫度補償等功能。經過單片機處理后利用D/A轉換將溫度信號轉換成0~5V的電壓信號輸出。 2 系統的硬件設計 整個系統按照模塊化的設計方法設計，使系統的整結構更加完善，系統性能得以提高，方便調試、維修。 2.1信號拾取單元 由于測量的溫度范圍廣，只使用一個光電探測器不能適應整個范圍內的信號檢測。所以將溫度范圍一分為二，用兩個探測器兩條光路來實現信號的檢測。兩個通道的電路大體相似，但由于信號的強弱不同，在系統中所選用的運放不一樣。其中低溫段所使用的運放為OPA129。OPA129是B_B公司的超低偏置電流運算放大器，低漂移、低噪聲、高開環增益，適合于將光電轉換信號放大。從熱力學中玻耳茲曼定律可知，信號與溫度的四次方成正比。在溫度較低時信號很弱，采用OPA129；而溫度較高時則使用OP27運放。兩路分別都有調零和調增益功能，兩路信號輸入到一個數字開關MAX4622。MAX4622是一個單刀雙擲數字開關，它的導通電阻最大為5Ω。MAX4622的通道選通信號由程序根據當前溫度的高低來控制。如圖2所示。 2.2 模數轉換單元 為了達到大范圍、高精度地測量，不僅要精心設計信號拾取單元，而且在A/D轉換部分也采用了可編程增益放大器PGA103和12位的A/D轉換器MAX191來實現信號的數字化。PGA103是一種通用的低溫漂可編程增益放大器，它的增益分為三擋：X1、X10、X100，通過兩個CMOS/TTL兼容的輸入端來選擇，PGA103工作電壓從±4.5V~±18V。系統中PGA103的增益選擇端A0、A1分別接至8051單片機的P10、P11端。為了防止在單片機上電時，P1口輸出全為1，PGA103的增益為100可能會輸出大于A/D轉換器的輸入界限，在PGA103的輸入端加一保護二極管，以防止過沖電壓損害PGA103。MAX191是MAXIM公司的一種12位、非線性誤差為1/2LSB的CMOS模/數轉換器，它的輸入可為單極性或雙極性，內建采樣保持器，可調內部參考電壓，采樣速率為100kSPS，數據可以串行輸出也可以8位并行輸出，內部或外部采樣時鐘。它有三種工作模式：Slow-Memory模式、ROM模式、Serial-Interface模式。在本系統中選用ROM模式，即A/D轉換后的數字量以8位并行輸出到單片機，單片機分兩次讀取12位的轉換結果；模擬信號單極性輸入，幅值為0~5V，采用內部的振蕩時鐘，通過外接一個120pF的電容，正常情況下可產生1MHz的時鐘。A/D轉換結束后，通過8051查詢MAX191的轉換狀態端來判斷轉換的結束與否，然后再通過兩條讀指令來讀取12位的A/D轉換結果，最后將兩次讀的8位數據拼接為12位的轉換結果。 2.3 鍵盤和顯示單元 本系統采用8255A的A口和C口擴展出一個4×4的鍵盤，包括10個數字鍵和6個功能鍵。在本系統中采用程序掃描法來識別按鍵。單片機先使8255A的PC口均為低電平，再讀A口。如果A口不全為高電平，則延時10ms去抖動；然后再讀A口，此時A口仍不全為高電平，說明確有鍵按下。進一步確定按下鍵的位置，先置PC0=0，PC1=PC2=PC3=1，讀A口，由A口低電平的位便可確定按下鍵的位置。依次類推，如果檢查完所有的鍵均無按下，說明是干擾或誤操作；掃描結束時，按下鍵的位置信息存于某個存儲單元中。 顯示采用以內藏HD61830控制器的液晶模塊8032B點陣型LCD。HD61830是點陣式液晶圖象顯示控制器，可與MPU直接接口，具有專用指令集，可完成文本顯示或圖形顯示的功能設置，以及畫面卷動、光標、閃爍、位操作等功能。 2.4 8051單片機單元 由于整個系統的程序較大，所以需要一個外部程序存儲器，在系統中選用了32KB的EEPROM。在系統中實現多點溫度補償要存儲一些溫度點的修正值以提高系統的測量精度，所以將EEPROM既作程序存儲器又作數據存儲器。整個系統的地址分配為：0000~7FFF為存儲器地址，D000~D003和E000~E003分別為兩個8255A的四個端口地址，BFFC~BFFF為A/D轉換器的地址，FFF4~FFF5為D/A轉換器的地址。在地址譯碼中沒有采用GAL而是通過分離元件實現。地址譯碼通過兩片74LS138、一片74LS04、一片74LS08來實現。 2.5 RS-232通訊單元 為了方便數據的處理，將測量所得的數據送入計算機，本系統采用RS-232通訊方式，通訊速率為9600波特率。接口所用芯片為MAX232，接收端采用VC++編制的接收程序，顯示并存儲接收到的數據。進而分析、處理得到擬和曲線。在單片機中將利用此擬和曲線實時計算當前被測物的溫度值。 2.6 數模轉換單元 系統中預留一路模擬信號輸出，在測量、顯示的同時可將當前的溫度值通過D/A轉換輸出進而實現閉環控制。系統采用的D/A轉換器為MAX508，它是一種完備的12位、片內參考電壓、電壓輸出型的D/A轉換器，輸出電壓和參考電壓同極性，允許單電源工作，雙緩沖邏輯輸入接口使之與微處理器連接非常容易。 3 系統的軟件設計 系統軟件的設計完全按照結構化的程序設計方法來完成 ，將整個程序細分為若干個子程序(模)，方便調試與檢查。開發系統采用Franklin C51編譯器和偉福仿真器，利用C51語言使得整個軟件開發變得簡單、快速、易于調試。整個軟件流程見圖3。下面就幾個主要的子程序作一簡單的介紹。 3.1 初始化子程序 在初始化程序中，主要對8051的系統資源，包括定時器、中斷、串行通訊、LCD顯示、8255A等進行初始化工作。 3.2 LCD顯示子程序和鍵盤輸入子程序 在顯示程序中，完成顯示功能菜單的任務。菜單顯示的字符利用LCD顯示控制器HD61830的字符集中的資源，菜單為滾動式，通過功能鍵可使光標從上往下移動，當移至最下一行時，屏幕開始滾動顯示。利用軟件程序掃描8255A的PA和PC口得到按鍵的鍵值，函數返回鍵碼。 3.3 A/D轉換子程序和D/A轉換子程序 A/D轉換結果的讀入采用查詢方式。通過查詢MAX191的BUSY端的信號來判斷轉換是否結束；12位的轉換結果需要兩次讀取，然后拼接成12位的結果。如果為了使外部干擾的影響減小可采用軟件濾波。對于溫度信號一般來說是緩變的，可采用一階滯后濾波或中值平均濾波等。D/A轉換是直接將12位的數據送入MAX508的緩沖器即可實現數摸的轉換。 3.4 RS-232通訊子程序 通訊中將12位的數據分成兩次傳送，在計算機中采用VC++6.0中的一個通訊控件MS Communications Contro16.0來實現串口的通訊程序。在接收到測量數據后，可進行一系列的數據處理與分析得到光纖傳感測溫儀的特性曲線?將此曲線生成電壓－溫度表存入單片機程序中來計算出溫度。 |
