第一篇：光纖傳感器測溫設計報告

課 程 設 計 報 告

學生姓名: 學 院: 班 級:

學 號： 電氣工程學院 電技091

題 目:

光線溫度傳感器測溫設計

指導教師： 陳宏起 職稱:

2012 年 12 月 29 日

光纖溫度傳感器的設計

摘要：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生變化，當光源輸出光功率穩定的情況下，探測器接收光功率受溫度調制，通過光電轉換，信號處理，完成溫度的換算。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，測量結果穩定、可靠，靈敏度高。

關鍵詞：光纖，傳感器，在光通信系統中，光纖是用作遠距離傳輸光波信號的媒質。在實際光傳輸過程中，光纖易受外界環境因素的影響；如溫度、壓力和機械擾動等環境條件的變化引起光波量，如發光強度、相位、頻率、偏振態等變化。因此，人們發現如果能測出光波量的變化，就可以知道導致這些光波量變化的物理量的大小，于是出現了光纖傳感技術。

一：光纖傳感器的基本原理

在光纖中傳輸的單色光波可用如下形式的方程表示 E=錯誤！未找到引用源。

式中，錯誤！未找到引用源。是光波的振幅：w是角頻率；為初相角。該式包含五個參數，即強度錯誤！未找到引用源。、頻率w、波長錯誤！未找到引用源。、相位（wt+）和偏振態。光纖傳感器的工作原理就是用被測量的變化調制傳輸光光波的某一參數，使其隨之變化，然后對已知調制的光信號進行檢測，從而得到被測量。當被測物理量作用于光纖傳感頭內傳輸的光波時，使的強度發生變化，就稱為強度調制光纖傳感器；當作用的結果使傳輸光的波長、相位或偏振態發生變化時，就相應的稱為波長、相位或偏振調制型光纖傳感器。

（一）強度調制

1.發光強度調制傳感器的調制原理 光纖傳感器中發光強度的調制的基本原理可簡述為，以被測量所引起的發光強度變化，來實現對被測對象的檢測和控制。其基本原理如圖5-39所示。光源S發出的發光強度為錯誤！未找到引用源。的光柱入傳感頭，在傳感頭內，光在被測物理量的作用下強度發生變化，即受到了外場的調制，使得輸出發光強度錯誤！未找到引用源。產生與被測量有確定對應關系的變化。由光電探測器檢測出發光強度的信號，經信號處理解調就得到了被測信號。2.發光強度調制的方式

（1）利用光纖微彎效應；

（2）利用被測量改變光纖或者傳感頭對光波的吸收特性來實現發光強度調制；

（3）通過與光纖接觸的介質折射率的改變來實現發光強度調制；（4）在兩根光纖間通過倏逝波的耦合實現發光強度調制；

（5）利用發送光纖和接收光纖作相對橫向或縱向運動實現發光強度調制，這是當被測物理量引起接收光纖位移時，改變接收發光強度，從而達到發光強度調制的目的。這種位移式發光強度調制的光纖傳感器是一種結構簡單，技術較為成熟的光纖傳感器。

3.發光強度調制型傳感器根據其調制環節在光纖內部還是在光纖外部可以分為功能型和非功能型兩種。

4.強度調制式光纖傳感器的特點 解調方法簡單、響應快、運行可靠、造價低。缺點是測量精度較低，容易產生偏移，需要采取一些自補償措施。

（二）相位調制

相位調制光纖傳感器的基本原理

通過被測量的作用，使光纖內傳播的光相位發生變化，再利用干涉測量技術把相位轉換為光強變化，從而檢測出待測的物理量。如圖5-40其中圖a、b、c分別為邁克爾遜、馬赫-澤得和法布里-珀羅式的全光纖干涉儀結構。

（三）波長調制

波長調制光纖傳感器的基本原理

波長調制傳感器的基本結構如圖5-41。

二.光纖傳感器的特點

與傳統的傳感器相比，光纖傳感器的主要特點是：（1）抗電磁干擾，電絕緣；本質安全（2）靈敏度高

（3）重量輕，體積小，外形可變（4）測量對象廣泛（5）對被測介質影響小

（6）可以進行連續分布測量，便于復用，便于成網

光纖溫度傳感器

光纖溫度傳感器是上世紀70年代發展起來的一門新型的測溫技術。它基于光信號傳送信息，具有絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓等優勢特征。在國外，光纖溫度傳感器發展很快，形成了多種型號的產品，并已應用到多個領域，取得了很好的效果。國內在這方面的研究也如火如荼，多個大學、研究所與公司展開合作，研發了多種光纖測溫系統投入到了現場應用。按工作原理分，光纖溫度傳感器可分為功能性和傳輸型兩種。功能型溫度傳感器中光纖作為傳感器的同時也是光信號的載體，而傳輸型溫度傳感器中光纖則只傳輸光信號。目前主要的光纖溫度傳感器包括分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器等。其中應用最多當屬分布式光纖溫度傳感器與光纖光柵溫度傳感器。

1）分布式光纖溫度傳感器

分布式光纖傳感器最早是在1981 年由英國南安普敦大學提出的。激光在光纖傳送中的反射光主要有瑞利散射（Rayleigh scatter）、拉曼散（Ramanscatter）、和布里淵散射（Brillouin scatter）三部分，如圖1 所示。

分布式光纖傳感器經歷從最初的基于后向瑞利散射的液芯光纖分布式溫度監控系統，到電力系統保護與控制基于光時域（OTDR）拉曼散射的光纖測溫系統，以及基于光頻域拉曼散射光纖測溫系（ROFDA）等等。目前其測量距離最長可達30 km，測量精度最高可達0.5℃，空間定位精度最高可達0.25 m，溫度分辨率最高可達到0.01℃左右。目前，分布式光纖溫度傳感器主要基于拉曼散射效應及光時域反射計(OTDR)技術實現連續分布式測量，如York Sensa、Sensornet 等公司產品。基于布里淵散射光時域及光頻域系統也是當前光纖傳感器領域研究的熱點，LIOS、MICRION OPTICS等公司已有相應的產品。2）光纖光柵點式溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感器是利用光纖材料的光敏性在光纖纖芯形成的空間相位光柵來進行測溫的。光纖光柵以波長為編碼，具有傳統傳感器不可比擬的優勢，已廣泛用于建筑、航天、石油化工、電力行業等。光纖光柵溫度傳感器主要有Bragg 光纖光柵溫度傳感器和長周期光纖光柵傳感器。Bragg 光纖光柵是指單模摻鍺光纖經紫外光照射成柵技術而形成的全新光纖型Bragg 光柵，成柵后的光纖纖芯折射率呈現周期性分布條紋并產生Bragg 光柵效應，其基本光學特性就是以共振波長為中心的窄帶光學濾波器，滿足如下光學方程：

λb = 2nΛ（1）式中：λb為Bragg 波長；Λ 為光柵周期；n 為光纖模式的有效折射率。

長周期光纖光柵是一種特殊的光纖光柵，其傳光原理是將前向傳輸的基模耦合到前向傳輸的包層模中。由于其寬帶濾波、極低的背景發射等特點引起人們的重視，是一種新型的寬帶帶阻濾波器。

光纖溫度傳感器的設計 根據光纖彎曲損耗的理論分析，光纖溫度傳感器結構由三大部分組成：溫度敏感頭、傳輸與信號處理部分，具體結構示意圖如圖3 所示。

1、溫度敏感頭

溫度敏感頭是溫度傳感器中最主要的部件，是將所測量溫度轉換成直接能夠測量的參數，在這里，是轉換成光纖的損耗大小，同等狀態下，損耗大，探測器接收到的光功率小，反之，接收到功率就大。傳感頭主要由多模光纖與金屬構件組成，如圖3 所示，將光纖施加一定的張力后直接加載在多邊形金屬構件上，固定好后將光纖兩端頭引出，在引出光纖的兩端制作連接器，外加光纖保護措施，傳感頭主要工序就已經完成了。金屬零件隨溫度高低不同產生形變也不一樣，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生變化時，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α、環境溫度t 有關，而且與形體結構因子(取決于幾何參數)有關，計算比較復雜，在這里采用傳統的公式模擬來計算：

Lt=L[1+α(t-20°C)](5)式中，Lt—溫度t 時的尺寸；L—20℃時的尺寸；α—線膨脹系數，其數學表達式比較復雜，可選用平均線膨脹系數，經過查表可知。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較大的，且膨脹系數在整個溫度測量區間要較穩定，有較好重復性；溫度敏感頭的結構形狀也是要考慮的另一個因素，不同的形狀，對靈敏度影響很大。要提高傳感頭對溫度的響應時間，需要選用導熱系數較高的材料，比熱越小越好，在溫度突變時，能快速響應。經過課題組反復計算與試驗，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。通過試驗，傳感器在-40°C～＋80°C溫度范圍內均可精確工作。

2、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62.5/125μm 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應力作用，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。

3、信號處理部分信號處理部分主要由發光管、探測器的驅動電路與數字電路處理兩部分組成，發光管、探測器的驅動電路技術已經非常成熟。數字電路處理主要使用價廉物美的單片機，CPU使用美國ATMEL 公司生產的AT89C52 單片機，是一塊具有低電壓、高性能CMOS 8 位單片機，片內含8k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256bytes 的隨機存取數據存儲器（RAM），全部采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，與標準MCS－51 指令系統及8052 產品引腳兼容，片內置通用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 公司生產的12 位D574A 芯片，轉換時間位25μs，數字位數可設定為12 位，也可設為8 位，內部集成有轉換時鐘、參考電壓和三態輸出鎖存，可以與微機直接接口。為了方便在現場使用，光纖溫度傳感器擴展了LCD 顯示接口，同時還擴展了一個RS-232 通信口，用于同上位機進行通信，將現場采集的數據傳送到上位機，進一步分析處理。整個監控程序采用模塊化設計，主要的功能模塊有：系統初始化，A/D 采樣周期設定，數字濾波，數據處理，串行通信，中斷保護與處理，顯示與鍵盤掃描程序等。程序采用單片機匯編語言來編寫，使用廣泛、運算的速度快等特點，有效的利用單片機上有限的RAM 空間，其中，由于溫度的變化引起光強的變化不是線性的，因此我們采用查表法對其測量值進行線性補償。

試驗檢驗與數據處理

已經制作好的溫度敏感頭通過試驗測試。第一步，在溫度敏感頭的一端光纖連接器上加載穩定的短波長的光源，另一端接相匹配的光功率計，將溫度敏感頭置入恒溫槽中；

第二步，設置恒溫槽溫度，觀察光功率計值的變化情況，要滿足在測量的整個工作區間光功率都有變化；

第三步，定點測量，設定幾個或更多溫度點，記錄下，溫度與光功率對應值，反復多次試驗，觀察溫度敏感頭的重復性。光纖溫度傳感頭通過試驗測試，將溫度與光功率相對應數據制成表格，具體見表1 所示，曲線圖見圖4。

通過上述試驗表明，傳感頭滿足使用要求，重復性非常好，加載發光管與探測器驅動電路以及信號處理電路，整體調試傳感器，觀察溫度與傳感器輸出的電壓值關系，重復操作上述試驗第二、第三步，具體的溫度與電壓相對應值見表2，曲線圖見圖5。

通過觀察上述兩個曲線，形狀基本一致，重復性較好，表明傳感器整體性能滿足要求。將幾個特殊點電壓值送到單片機進行處理，采用直線插值擬合或者最小二乘法曲線擬合，輸出溫度值。通過實測檢驗，與標準溫度值誤差最大值為±1°C，基于金屬熱膨脹式的光纖溫度傳感器設計是成功的，傳感器整體測試精度較高。

小結：

近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發展。

本期學習了《檢測技術與儀表》，此學科無論在理論基礎、系統設計還是在設計程序、實驗方法等方面都向著數字化、網絡化和智能化方面發展。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。光纖具有很多優異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質軟、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，它能夠在人達不到的地方（如高溫區），或者對人有害的地區（如核輻射區），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

在本文中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生變化。

由于本人所學的是電氣工程及其自動化專業，在平時的學習中我們比較多的接觸到電動機、發電機和變壓器等電磁設備。為了保證這些電磁設備工作在正常狀態，我們必須對它們進行實時監測，而其中溫度監測是其中之一。就于光纖的抗干擾能力優異于其他的傳感器，本人特別介紹了光纖溫度傳感器。光纖溫度傳感器非常適合在電力行業中使用，但是在網上找了很多資料，大部分都是說可行性研究和論證，真正在實踐中用到了傳感器實物非常的少，和網絡上銷售情況也做了翻了解。光纖溫度傳感器作為一種新型的測溫技術發展十分迅速，應用也越來越廣泛。在電力系統中應用也得到了較好的發展，但存在以下幾個方面的問題：①光纖溫度傳感器在價格上的劣勢制約了其在電力系統中的推廣應用，價格太高使得在某些應用場合監測的實際意義不大。②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內認可的施工指導與標準規范。③目前生產光纖溫度傳感器的廠家基本都只具備專業研發與生產光纖溫度傳感器的能力，而在電力系統領域涉足較少，缺乏開發基于光纖溫度傳感器的電力系統故障診斷方面軟件的理論支持與經驗，難以將系統功能擴展。

本文介紹的光纖傳感器的設計如果得到應用以及在電力應用上解決了上述問題，光纖溫度傳感器一定會在電力行業得到普及。

心得體會

首先這次課程設計是對以前學過的相關知識的一次綜合的運用，是把課本知識轉化為生活實際的一次實踐性的實驗，很大程度上鍛煉了我的思考問題解決問題的能力，實驗的內容貼近生活實際,使我們可以用自己所學的知識解決實際問題。這次課程設計在很大程度上調動了我的積極性和對專業濃厚的興趣。溫故而知新。課程設計開始，對知識系統而全面進行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學請教，終于熟練掌握了基本理論知識，而且領悟諸多平時學習難以理解掌握的較難知識，學會了如何思考的思維方式，找到了設計的靈感。總的來說這次課程設計相對比較順利，但是也遇到了一些問題，遇到問題并不是什么壞事，通過自己的思考以及向老師咨詢，等把問題弄懂了，自己也從中學到了很多知識。下面說一下自己的得與失。通過本次設計確實讓自己學到了不少知識，首先是對這個實驗的原理有了更深的了解。同時對電路設計產生了極大的興趣。另外還發現自己的一些問題。首先，是對很多學過的知識還不夠熟練不能用到實際問題中。其次，是自己還不夠條理，思考問題不全面等。就本實驗具體問題談一下自己的看法。設計雖然比較成功，但是實驗還有很多需要改進和擴展的地方，我們要求設計的是比較簡單的電路，在實際生活中的設計與應用要遠比這次的課程設計復雜，在以后的課程中還要繼續學習其他知識，以解決真正的實際問題，真正達到學以致用。

附 錄

【1】葉楊高.基于金屬熱膨脹式光纖溫度傳感器.傳感器世界.2007.4 【2】孫寶元 楊寶清.傳感器及其應用手冊.機械工業出版社.2004.5 【3】王化祥 張淑英.傳感器原理及其應用.天津大學出版社.2004.7 【4】王俊杰.檢測技術與儀表（第2版）.武漢理工大學出版社.2009.1 【5】張洪潤 張亞凡.傳感技術與應用教程.清華大學出版社。2005.1 【6】李強 王艷松 劉學民.光纖溫度傳感器在電力系統中的應用現狀綜述.電力系統保護與控制.2010.1.1第38卷第1期

【7】劉引.光纖傳感器在電力系統中的應用.魅力中國.2009.5第77期

第二篇：光纖溫度傳感器 畢業論文

摘 要

本文從光纖和光纖傳感器以及光纖溫度傳感器的發展歷程開始詳細分析國內外主要光纖溫度測溫方法的原理及特點，比較了不同方法的溫度測量范圍和性能指標以及各自的優缺點。通過研究發現了當前的光纖溫度傳感器的種類和特點，詳細介紹了光纖溫度傳感器的原理，種類和各自的特點和優缺點。可以根據這些傳感器各自特點將各種傳感器應用到不同的領域，本文也簡要分析了各種光纖溫度傳感器的運用范圍和領域。

本文還通過圖文并茂的方式比較詳細地分析了介紹了空調器的基本結構，工作電氣原理和基本的熱力學過程。

本文對畢業設計主要內容和擬采用的研究方案也做出了詳細地介紹分析。

關鍵詞：光纖，光纖傳感器，光纖溫度傳感器，運用領域，空調器，空調器原理

Abstract 引言：

光纖溫度傳感器是一種新型的溫度傳感器．它具有抗電磁干擾、耐高壓、耐腐蝕、防爆防燃、體積小、重量輕等優點，其中幾種主要的光纖溫度傳感器：分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器和基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器更有著自己獨特的優點。與傳統的傳感器相比具有一下優點:靈敏度高;是無源器件，對被測對象不產生影響;光纖耐高壓，耐腐蝕，在易燃、易爆環境下安全可靠;頻帶寬，動態范圍大;幾何形狀具有多方面的適應性;可以與光纖遙測技術相配合，實現遠距離測量和控制;體積小，重量輕等。它將在航空航天、遠程控制、化學、生物化學、醫療、安全保險、電力工業等特殊環境下測溫有著廣闊的應用前景。

在本論文中將詳細分析當前光纖溫度傳感器的主要種類和各自的原理，特點和應用范圍。論文要求：

（1）詳細分析國內外主要光纖溫度測溫方法的原理及特點，比較不同方法的溫度測量范圍和性能指標。

（2）掌握空調器的工作電氣原理和基本的熱力學過程。畢業論文綜述：

70年代中期，人們開始意識到光纖不僅具有傳光特性，且其本身就可以構成一種新的直接交換信息的基礎，無需任何中間級就能把待測的量與光纖內的導光聯系起來。1977年，美國海軍研究所開始執行光纖傳感器系統計劃，這被認為是光纖傳感器問世的日子。從這以后，光纖傳感器在全世界的許多實驗室里出現。從70年代中期到80年代中期近十年的時間，光纖傳感器己達近百種，它在國防軍事部門、科研部門以及制造工業、能源工業、醫學、化學和日常消費部門都得到實際應用。從目前的情況看，己有一些形成產品投入市場，但大量的是處在實驗室研究階段。光纖傳感器與傳統的傳感器相比具有一下優點:靈敏度高;是無源器件，對被測對象不產生影響;光纖耐高壓，耐腐蝕，在易燃、易爆環境 下安全可靠;頻帶寬，動態范圍大;幾何形狀具有多方面的適應性;可以與光纖 遙測技術相配合，實現遠距離測量和控制;體積小，重量輕等。

目前，世界各國都對光纖傳感器展開了廣泛，深入的研究，幾個研究工作開展早的國家情況如下:美國對光纖傳感器研究共有六個方面:這些項目分別是:光纖傳感系統;現代數字光纖控制系統;光纖陀螺;核輻射監控;飛機發動機監控;民用研究計劃。以上計劃僅在1983年就投資12-14億美元。美國從事光纖傳感器研究的有美國海軍研究所、美國宇航局、西屋電器公司、斯坦福大學等28個主要單位。美國光纖傳感器開始研制最早，投資最大，己有許多成果申請了專利。

英國政府特別是貿易工業部十分重視光纖傳感器技術，早在1982年有該部為首成立了英國光纖傳感器合作協會，到1985年為止，共有26個成員，其中包括中央電器研究所、Delta控制公司、帝國化學工業公司、英國煤氣公司、1 Taylor儀器公司、標準電信研究所及幾所主要大學。

德國的光纖陀螺的研究規模和水平僅次與美國居世界第二位，西門子公司在1980年就制成了高壓光纖電流互感器的實驗樣機。

日本制定了1979-1986年“光應用計劃控制系統”的七年規劃，投資達70億美金。有松下、三菱、東京大學等24家著名的公司和大學從事光纖傳感器研究。從1980年7月到1983年6月，申請光纖傳感器的專利464件，涉及11個領域。主要應用于大型工廠，以解決強電磁千擾和易燃、易爆等惡劣環境中信息測量、傳輸和生產全過程的控制問題。

我國光纖傳感器的研究工作于80年代初開始，在“七五”規劃中提出15 項光纖傳感器項目，其中有光纖放射線探測儀、光纖溫度傳感器及溫度測量系統、光纖陀螺、光纖磁場傳感器、光纖電流、電壓傳感器、醫用光纖傳感器、分析用 傳感器、集成光學傳感器等。預計“七五”期間的研制成果可達到美、日等國 80年代初、中期水平。

半導體吸收型光纖溫度傳感器基本上是80年代興起的，其中以日本的研究最為廣泛。在1981年，Kazuo Kyuma等四人在日本三菱電機中心實驗室，首次研制成功采用GaA、和Care半導體材料的吸收型光纖溫度傳感器。由于人們對半導體材料認識的不斷深入，以及半導體制造和加工工藝水平的不斷提高，使人們對采用半導體材料來制作各種傳感器的前景十分看好。在90年代前后，出現了研究以硅材料作為溫度敏感材料的光纖溫度傳感器。在1988年，Roorkee 大學R.P.Agarwal等人，采用CIrD(化學氣象淀積)技術，在光纖端面上淀積多 晶硅薄膜，試制了硅吸收型光纖溫度傳感器。同年，Isko Kajanto等人采用SOI結構，以光纖反射的方式，制作了單晶硅吸收型溫度傳感器。目前，以GaAs 和CdTe直接帶隙半導體材料的吸收型光纖溫度傳感器，已接近實用化。

國內對半導體吸收型光纖溫度傳感器的研究起步較晚，興起于90年代后期。主要集中在清華大學，華中理工大學，東南大學等高校。他們對該種類型的傳感 器結構，特性和系統結構進行了詳細的分析和實踐。但大量的研究只集中在GaAs半導體作為感溫材料的傳感器上，與國外在該領域的研究水平仍有較大差別。光纖溫度傳感器的特點：

光纖溫度傳感器與傳統的溫度傳感器相比具有很多優點：光波不產生電磁干擾，也不怕電磁干擾，易被各種光探測器件接收．可方便地進行光電或電光轉換．易與高度發展的現代電子裝置和計算機相匹配．光纖工作頻率寬．動態范圍大，是一種低損耗傳輸線，光纖本身不帶電．體積小質量輕，易彎曲，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環境下使用。國外一些發達國家對光纖溫度傳感技術的應用研究已取得豐富成果．不少光纖溫度傳感器系統已實用化．成為替代傳統溫度傳感器的商品。所有與溫度相關的光學現象或特性．本質上都可以用于溫度測量．基于此．用于溫度測量的現有光學 技術相當豐富。對于光纖溫度傳感器的研究占到將近所有光纖傳感器研究的20％。光纖溫度傳感器的研究．除對現有器件進行外場驗證、完善和提高外，目前有以下幾個發展動向：大力發展測量溫度分布的測量技術．即由對單個點的溫度測量到對光纖沿線上溫度分布．以及大面積表面溫度分布的測量：開發包括測量溫度在內的多功能的傳感器：研制大型傳感器陣列．實現全光學遙測。光纖測溫傳感器是用光纖來測量溫度的。有兩種方法可實現。一是利用被測表面輻射能隨溫度的變化而變化的特點；利用光纖將輻射能量傳輸到熱敏元件上，經

過轉換再變成可供紀錄和顯示的電信號。這種方法獨特之處就是可以遠距離測量；另外一種方法是利用光在光導纖維內傳輸的相位隨溫度參數的改變而改變的特點，光信號的相位隨溫度的變化是由于光纖材料的尺寸和折射率都隨溫度改變而引起的。光纖傳感器的基本原理

在光纖中傳輸的單色光波可用如下形式的方程表示E=

式中，、頻是光波的振幅：w是角頻率；為初相角。該式包含五個參數，即強度率w、波長、相位（wt+）和偏振態。光纖傳感器的工作原理就是用被測量的變化調制傳輸光光波的某一參數，使其隨之變化，然后對已知調制的光信號進行檢測，從而得到被測量。當被測物理量作用于光纖傳感頭內傳輸的光波時，使的強度發生變化，就稱為強度調制光纖傳感器；當作用的結果使傳輸光的波長、相位或偏振態發生變化時，就相應的稱為波長、相位或偏振調制型光纖傳感器。

5.1強度調制

5.1.1 發光強度調制傳感器的調制原理

光纖傳感器中發光強度的調制的基本原理可簡述為，以被測量所引起的發光強度變化，來實現對被測對象的檢測和控制。其基本原理如圖所示。光源S發出的發光強度為的光柱入傳感頭，在傳感頭內，光在被測物理量的作用下強度發生變化，即受到了外場的調制，使得輸出發光強度產生與被測量有確定對應關系的變化。由光電探測器檢測出發光強度的信號，經信號處理解調就得到了被測信號。

5.1.2 發光強度調制的方式 利用光纖微彎效應；

利用被測量改變光纖或者傳感頭對光波的吸收特性來實現發光強度調制； 通過與光纖接觸的介質折射率的改變來實現發光強度調制； 在兩根光纖間通過倏逝波的耦合實現發光強度調制；

利用發送光纖和接收光纖作相對橫向或縱向運動實現發光強度調制，這是當被測物理量引起接收光纖位移時，改變接收發光強度，從而達到發光強度調制的目的。這種位移式發光強度調制的光纖傳感器是一種結構簡單，技術較為成熟的光纖傳感器。

5.1.3 發光強度調制型傳感器分類

根據其調制環節在光纖內部還是在光纖外部可以分為功能型和非功能型兩種。強度調制式光纖傳感器的特點 解調方法簡單、響應快、運行可靠、造價低。缺點是測量精度較低，容易產生偏移，需要采取一些自補償措施。

5.2相位調制 光纖傳感器的基本原理

通過被測量的作用，使光纖內傳播的光相位發生變化，再利用干涉測量技術把相位轉換為光強變化，從而檢測出待測的物理量。如圖5-40其中圖a、b、c分別為邁克爾遜、馬赫-澤得和法布里-珀羅式的全光纖干涉儀結構。

5.3 波長調制光纖傳感器的基本原理

波長調制傳感器的基本結構如圖5-41。光纖溫度傳感器

6.1幾種光纖溫度傳感器的原理和研究現狀

光纖溫度傳感器按其工作原理可分為功能型和傳輸型兩種。功能型光纖溫度傳感器是利用光纖的各種特性f相位、偏振、強度等)隨溫度變換的特點，進行溫度測定。這類傳感器盡管具有”傳”、”感”合一的特點．但也增加了增敏和去敏的困難。傳輸型光纖溫度傳感器的光纖只是起到光信號傳輸的作用．以避開測溫區域復雜的環境．對待測對象的調制功能是靠其他物理性質的敏感元件來實現的。這類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問題．增加了系統的復雜性，且對機械振動之類的干擾較敏感．下面介紹幾種主要的光纖溫度傳感器的原理和研究現狀。

6.1.1分布式光纖溫度傳感器

分布式光纖測溫系統是一種用于實時測量空間溫度場分布的傳感器系統。分布光纖傳感器系統最早是在1981年由英國南安普敦大學提出的．1983年英國的Hartog用液體光纖的拉曼光譜效應進行了分布式光纖溫度傳感器原理性實驗．1985年英國的Dakin在實驗

室用氬離子激光器作為光源進行了用石英光纖的拉曼光譜效應的分布光纖溫度傳感器測溫實驗．同年Hartog和Dakin分別獨立地用半導體激光器作為光源，研制了分布光纖溫度傳感器實驗裝置：此后。分布光纖溫度傳感器得到了很大的發展．研究出了多種傳感機理．有的還使用了特種光纖。分布式光纖溫度傳感器是基于瑞利散射、布里淵散射、喇曼散射三種分布式溫度傳感器。分布式光纖傳感器從最初提出的基于光時域散射fOTDRl的瑞利散射系統開始．經歷了基于0TDR的喇曼散射系統和基于0TDR的布里淵散射系統．使得測溫精度和范圍大幅提高。光頻域散射fOFDR)的提出也很早，但只有到了近期．伴隨著喇曼散射和布里淵散射研究的深入．使OFDR和它們結合才顯示出了它的優越性。基于0TDR和OFDR的分布式溫度光纖傳感器已經顯示出了很大的優越性．所以基于OTDR0FDR的分布式溫度光纖傳感器仍將是研究的熱點．尤其是基于OFDR的新的分布式光纖傳感器將是一個重要的發展方向。土耳其Gunes Yilmaz研制出10km、溫度分辨率為1℃、空間分辨率為1．22m的分布式光纖溫度傳感器。在國內，中國計量學院、重慶大學、浙江大學等單位根據應用的需要．先后開展了分布式光纖溫度傳感器的研究。中國計量學院1997年研制了一種用于煤礦、隧道溫度自動報警的分布式光纖溫度傳感器系統，該系統光纖長為2km．測溫范圍為一50℃～150℃．測溫精度為2℃．溫度分辨率為O．1℃：2005年設計制造出31km遠程分布式光纖溫度傳感器．測溫范圍0℃～100℃，溫度測量不確定度為2℃．溫度分辨率為0．1℃，測量時間為432s．空間分辨率為4m。6.1.2 光纖光柵溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感技術主要研究Bmgg光纖傳感技術。根據Bragg光纖光柵反射波長會隨溫度的變化而產生”波長移位”的原理制成光纖光柵溫度傳感器。1978年．加拿大渥太華通信研究中心的K．O．HiU等人首先發現摻鍺石英光纖的光敏效應．采用注入法制成世界上第一只光纖光柵(FBG)，1989年，Morev首次報導將其用于傳感。英國T．A1lsoD利用橢圓纖芯突變型光纖研制出溫度分辨率為O．9℃、曲率分辨率為0．05的長周期光纖光柵曲率溫度傳感器。意大利A．Iadicicco利用非均勻的稀疏布拉格光纖光柵fThFBGsl同時測量折射率和溫度．該傳感器的溫度分辨率為0．1℃．在折射率1．

45、1．33附近的折射率分辨率分別為10-s、104。中科院上海光機所利用光纖光柵的金屬槽封裝技術將光纖光柵溫度傳感器的靈敏度提高到O．02℃：哈爾濱工業大學把光纖光柵粘貼在金屬半管上．使其分辨率達到0．04℃：黑龍江大學光纖技術研究所提出了一種光纖光柵fFBGl的Ti合金片封裝工藝，使溫度靈敏度達到0．05℃。6.1.3 光纖熒光溫度傳感器

光纖熒光溫度傳感器是目前研究比較活躍的新型溫度傳感器。熒光測溫的工作機理是建立在光致發光這一基本物理現象上。所謂光致發光是一種光發射現象．就是當材料由于受紫外、可見光或紅外區的光激發．所產生的發光現象。出射的熒光參數與溫度有一一對應關系．通過檢測其熒光強度或熒光壽命來得到所需的溫度的。強度型熒光光纖傳感器受光纖的微彎曲、耦合、散射、背反射影響，造成強度擾動，很難達到高精度：熒光壽命型傳感器可以避免上述缺點，因此是采用的主要模式．熒光壽命的測量是測溫系統的關鍵。美國密西西比州立大學用一種商用的環氧膠做溫度指示f含有多環芳烴化合物：PAHs)。PAHs在用紫外光激發時發熒光．熒光的強度隨環氧膠周圍溫度的升高而減小．該傳感器可監測20℃～100℃范圍內的溫度。日本東洋大學根據Tb：Si0，和Tb：YAG的光致發光(PL)譜與溫度有關．將其制成光纖溫度傳感器。在300～1200K的溫度下．Tb：Si0，5 的PL峰值在540nm時的光強隨溫度的升高單調減小．Tb：YAG晶體的PL譜的形狀隨溫度變化。韓國漢城大學發現lOcm長的Ybn、E一雙摻雜光纖在915nm處．兩熒光強度的比值在20℃～300℃間與溫度成指數關系．這種雙摻雜系統對于測量苛刻環境的溫度非常有用。清華大學電子工程系利用半導體GaAs材料對光的吸收隨溫度變化的原理。研制出測溫范圍：O℃～150℃；分辨率：0．5℃的光纖溫度傳感器。燕山大學設計了一種利用熒光波分和時分多路傳輸技術．通過檢測紅寶石晶體的熒光強度實現溫度測量的系統．該系統的測溫范圍：30℃～160℃：分辨率：0．5℃。海南大學用激光加熱基座法生長出端部摻Cr的藍寶石熒光光纖傳感頭．該傳感器的測溫范圍：20℃～450℃：分辨率：1℃。中北大學用一種鍍有陶瓷薄膜的藍寶石光纖作為傳感器的瞬態高溫測試系統．該系統的測溫范圍：1200℃～2000℃。分辨率：1℃。6.1.4 干涉型光纖溫度傳感器

干涉型光纖溫度傳感器是一種相位調制型光纖傳感器。它是利用溫度改變Mach—Zehnder干涉儀、Fabry—Perot干涉儀、Sagnac干涉儀等一些干涉儀的干涉條紋來外界測量溫度。英國的Samer K．Abi Kaed Bev用長周期光纖光柵做成Mach—Zehnder干涉型光纖溫度傳感器．其溫度分辨率為O．7℃。燕山大學研制出基于白光干涉的Fabrv—Perot光纖溫度傳感器．其測溫范圍為一40℃～100℃．分辨率為0．01℃。哈爾濱工程大學研制出數字式Mach—Zehnder干涉型光纖傳感器．其測溫范圍為35cC～80℃，壓力、溫度、位移分辨率分別為0．03kPa、0．07℃、2．5斗m。

干涉式光纖溫度傳感器工作示意圖

6.1.5 基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器

基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器利用硅纖芯和塑料包層折射率差隨溫度變化引起光纖孔徑的變化、光纖的突然彎曲引起的局部孔徑的變化的原理測量溫度。烏克蘭采用EBOC伍ngIish—Bickford Optics Com—pany)生產的多模階躍塑料包層硅纖芯光纖HCN～H，已做出基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器．其測溫范圍一30℃～70℃．靈敏度達到O．5℃。法國研究出測溫范圍一20℃～60℃。靈敏度為0。2℃的基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器。國內主要是對光纖的彎曲損耗與入射波長、彎曲半徑、彎曲角度、彎曲長度、光纖參量和溫度等的關系做了一些研究。實驗裝置圖如圖1所示。

6.2 幾種光纖溫度傳感器的特點及各自的研究方向

分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器和基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器分別具有獨特的優點和一定的不足，因此它們的研究方向不同。6.2.1 分布式光纖溫傳感器

分布式光纖溫傳感器具有其他溫度傳感器不可比擬的優點。它能夠連續測量光纖沿線所在處的溫度．測量距離在幾千米范圍．空間定位精度達到米的數量級。能夠進行不問斷的自動測量．特別適用于需要大范圍多點測量的直用場合。目前對分布式光纖溫度傳感器研究的重點：實現單根光纖上多個物理參數或化學參數的同時測量：提高信號接收和處理系統的檢測能力．提高系統的空間分辨率和測量不確定度：提高測量系統的測量范圍．減少測量時間：基于二維或多維的分布式光纖溫度傳感器網絡。6.2.2 光纖光柵溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感器除了具有普通光纖溫度傳感器的許多優點外．還有一些明顯優于其它光纖溫度傳感器的方面。其中最重要的就是它的傳感信號為波長調制。這一傳感機制的好處在于：測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響：避免了一般干涉型傳感器中相位測量的不清晰和對固有參考點的需要：能方便地使用波分復用技術在一根光纖中串接多個布喇格光柵進行分布式測量：很容易埋人材料中對其內部的溫度進行高分辨率和大范圍地測量。盡管光纖光柵溫度傳感器有很多優點．但在應用中還需考慮很多因素：波長微小位移的檢測；寬光譜、高功率光源的獲得；光檢測器波長分辨率的提高；交叉敏感的消除；光纖光柵的封裝；光纖光柵的可靠性；光纖光柵的壽命。6.2.3 光纖熒光溫度傳感器

光纖熒光溫度傳感器于其它光纖溫度傳感器相比有自己獨特的優點：由于熒光壽命與溫度的關系從本質上講是內在的．與光的強度無關．這樣就可以制成自較準的光纖溫度傳感器．而一般的基于光強度檢測的光纖溫度傳感器f如輻射型1則因為系統的光傳輸特性往往與傳輸光纖和光纖耦合器等相關而需經常校準：測量范圍廣，特別在高溫情況下多用光纖熒光溫度傳感器。目前國外的研究主要圍繞著熒光源的選擇．主要為下面幾個方面：藍寶石和紅寶石發光、稀土發光及半導體吸收。

6.2.4 干涉型光纖溫度傳感器

干涉型光纖溫度傳感器的溫度分辨率高：動態響應寬：結構靈巧。研究干涉型光纖溫度傳感器的主要工作放在減小噪聲干擾和信號解調上。6.2.5 基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器

基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器具有結構簡單、體積小、成本低、測量方便不需要解調等優點。但是它還存在著很多的不足：測量精度低；由于它是強度調制型光纖傳感器，光源的穩定性對其影響很大；使用壽命短等缺點。在今后的研究中主要從光纖的選擇、測量條件的提高等方面開展工作。光纖溫度傳感器的應用

光纖溫度傳感自問世以來．主要應用于電力系統、建筑、化工、航空航天、醫療以至海洋開發等領域，并已取得了大量可靠的應用實績。7.1.1 光纖溫度傳感器在電力系統有著重要的應用 電力電纜的表面溫度及電纜密集區域的溫度監測監控；高壓配電裝置內易發熱部位的監測；發電廠、變電站的環境溫度檢測及火災報警系統；各種大、中型發電機、變壓器、電動機的溫度分布測量、熱動保護以及故障診斷；火力發電廠的加熱系統、蒸汽管道、輸油管

道的溫度和故障點檢測：地熱電站和戶內封閉式變電站的設備溫度監測等等。7.1.2 光纖溫度傳感應用于建筑、橋梁上

光纖光柵溫度傳感器很容易埋人材料中對其內部的溫度進行高分辨率和大范圍地測量．因而被廣泛的應用于建筑、橋梁上。美國、英國、日本、加拿大和德國等一些發達國家早就開展了橋梁安全監測的研究．并在主要大橋上都安裝了橋梁安全監測預警系統。用來監測橋梁的應變、溫度、加速度、位移等關鍵安全指標。1999年夏，美國新墨西哥Las Cmces lO號州際高速公路的一座鋼結構橋梁上安裝了120個光纖光柵溫度傳感器．創造了單座橋梁上使用該類傳感器最多的記錄。

7.1.3 光纖溫度傳感在航空航天業的應用

航空航天業是一個使用傳感器密集的地方．一架飛行器為了監測壓力、溫度、振動、燃料液位、起落架狀態、機翼和方向舵的位置等，所需要使用的傳感器超過100個．因此傳感器的尺寸和重量變得非常重要。光纖傳感器從尺寸小和重量輕的優點來講．幾乎沒有其他傳感器可以與之相比。7.1.4 傳感器的小尺寸在醫學應用中是非常有意義的 光纖光柵傳感器是現今能夠做到最小的傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式對人體組織功能進行內部測量。提供有關溫度、壓力和聲波場的精確局部信息。光纖光柵傳感器對人體組織的崗廠陰，等：光纖溫度傳感器的研究和應州損害非常小．足以避免對正常醫療過程的干擾。7.1.5 光纖光柵傳感器永久井下測量的應用

因其抗電磁干擾、耐高溫、長期穩定并且抗高輻射非常適合用于井下傳感．挪威的Optoplan正在開發用于永久井下測量的光纖光柵溫度和壓力傳感器。空調器的工作電氣原理和基本的熱力學過程

8.1 空調器基本結構

是由制冷（熱)、空氣循環、電氣控制三大系統組成。制冷系統: 用于制冷劑循環及氣/ 液態變換。制冷劑系統的工作與否受控于電氣系統。空氣循環系統: 用于驅動空氣進行循環，過濾室內空氣，以及對制冷系統中蒸發器、冷凝器提供空氣熱交換條件，調節室內的溫度等。電氣控制系統: 用于控制冷系統與空氣循環系統的工作與否。

8.1.1 制冷系統的結構和工作過程制冷系統的結構

由壓縮機、冷凝器、過濾器、毛細管、蒸發器等首尾連接組成。其中，制冷劑的循環流通由壓縮機負責，制冷劑氣態轉換由蒸發器負責，制冷劑液態轉換由冷凝器負責，制冷劑壓力變換由壓縮機和毛細管負責，過濾器負責濾除制冷劑中微量臟物。對于制冷而言，其工

作過程以圖1 所示窗式空調器為例說明如下：當接通電源后，壓縮機及風扇開始運轉，蒸發器內的低壓氣態制冷劑，通過管路被壓縮機吸入，并壓縮為高壓、高溫氣態，再經過排氣管排入冷凝器對室外空氣放熱自身降溫變成液態。液態制冷劑經過濾器、毛細管節流后進入蒸發器，由蒸發器蒸發為氣態，并在蒸發過程中自身吸熱對室內空氣降溫，冷卻后的空氣由離心風扇吹向室內，室內的空氣又由風扇的吸氣端吸回。這樣，空氣不斷循環，周而復始，室內的空氣就得到了降溫并維持在一定溫度內，實現制冷目的。

8.1.2 制熱系統的結構和工作過程制熱系統的結構

對于制熱而言，其工作過程可用圖2 所示的冷暖空調制冷（熱）系統來說明。它是

在單冷空調制冷系統的基礎上增加了單換閥和輔助毛細管。制熱時除制冷劑走向（箭頭）與制冷時相反外，且室外側熱交換器作蒸發器用于吸熱，室內側熱交換器作為冷凝器用于放熱。

8.1.3 制冷（熱）系統各器件的功能與作用 現說明如下：

(1)壓縮機: 壓縮機運轉后，產生吸排氣功能，并由低壓管口（粗）吸氣、高壓管口（細）排氣，推動制冷劑在制冷管路中循環流通。同時對低壓管吸入的制冷劑進行壓縮變為高壓高溫后由高壓管口排出。

(2)冷凝器: 對壓縮機排出的高壓、高溫氣態進行制冷，在流經冷凝器的過程中，逐步散熱降溫而冷凝為液態／中溫／高壓制冷劑，實現制冷劑從氣態到 液態的轉換，以把制冷劑攜帶的熱量散發到空氣中，實現熱量的轉移。

(3)毛細管;是一根直徑4 mm、長l m左右的細銅管，接于過濾器（或冷暖機單向閥）與蒸發器之間，對冷凝器流出的中溫高壓液態制冷劑進行節流降壓，使蒸發器中形成低壓環境。

(4)過濾器: 濾除制冷劑中微量臟物，保證制冷劑在制冷管路中的循環流通。(5)蒸發器: 經毛細管降壓節流輸出的制冷劑，在流經經蒸發器管路過程中逐步沸騰蒸發為氣體，并在蒸發過程吸收外界空氣的熱量，使周圍空氣降溫。

8.2 空氣循環系統的結構和工作過程

圖3 是窗機空氣循環系統示意圖。它由室內側、室外側空氣循環兩部位組成。兩者的核心器件均是多繞組風扇電機。風扇電機的轉速受控于功能開關（又稱主令開關），風速設置不同，功能開關對風扇電機調速繞組抽頭供電不同，調速繞組線圈匝數不同，它與運轉繞組串聯后的匝數不同，從而使風扇轉速不同。

8.3 電氣控制系統的結構和工作過程

電氣控制系統的核心器件是壓縮機和風扇電機，如圖4 所示。這兩個器件的CR 運行繞組在得到交流220 V 電源后，CS 啟動繞組瞬間有啟動電流流過就開始運轉，把電能變換為機械能。壓縮機運轉產生的機械能帶動制冷系統工作以實施制冷（熱）；風扇電機運轉產生的機械能，帶動扇葉旋轉以實現空氣循環。

(1)壓縮機工作控制

這里，以圖4(a)所示的窗機置于高冷狀態為例說明。由圖可見，這時功能開關1 端

分別與4 端、8 端接通，對壓縮機、風扇電機提供供電回路。其中壓縮機供電回路如下：交流220 V 電源插頭L 端→功能開關1端、8 端→溫控器開關的C 端、L 端→F1 過載保護器的1 端、2 端→壓縮機的C 端。此時分為兩路：一路經R 端→C 啟動電容的1 端（運轉電流）；另一路徑S 端子→C 啟動電容2 端、1 端（啟

動電流），最后至電源插頭的N 端。這樣，在壓縮機接通電源后，就啟動運轉，空調開始制冷。當制冷達到設置溫度時，溫控器斷開壓縮機供電電路，壓縮機停止運轉，終止制冷。當室內溫度上升到高于設置溫度時，溫控器再次自動接通壓縮機供給回路，壓縮機再次運轉制冷，以后重復上述過程。至于過載保護器，它緊貼在壓縮機外殼上以感知壓縮機溫度。在壓縮機啟動或運轉中，電流過大或壓縮機過熱時過載保護器會呈現高阻（相當于斷開），從而切斷壓縮機供電回路，達到保護壓縮機的目的。畢業設計主要內容和擬采用的研究方案

9.1 光纖溫度傳感器的設計

根據光纖彎曲損耗的理論分析，光纖溫度傳感器結構由三大部分組成：溫度敏感頭、傳輸與信號處理部分，具體結構示意圖如圖3 所示。9.1.1 溫度敏感頭

溫度敏感頭是溫度傳感器中最主要的部件，是將所測量溫度轉換成直接能夠測量的參數，在這里，是轉換成光纖的損耗大小，同等狀態下，損耗大，探測器接收到的光功率小，反之，接收到功率就大。傳感頭主要由多模光纖與金屬構件組成，如圖3 所示，將光纖施加一定的張力后直接加載在多邊形金屬構件上，固定好后將光纖兩端頭引出，在引出光纖的兩端制作連接器，外加光纖保護措施，傳感頭主要工序就已經完成了。金屬零件隨溫度高低不同產生形變也不一樣，加載在 13 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生變化時，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α、環境溫度t 有關，而且與形體結構因子(取決于幾何參數)有關，計算比較復雜，在這里采用傳統的公式模擬來計算：

Lt=L[1+α(t-20°C)](5)式中，Lt—溫度t 時的尺寸；L—20℃時的尺寸；α—線膨脹系數，其數學表達式比較復雜，可選用平均線膨脹系數，經過查表可知。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較大的，且膨脹系數在整個溫度測量區間要較穩定，有較好重復性；溫度敏感頭的結構形狀也是要考慮的另一個因素，不同的形狀，對靈敏度影響很大。要提高傳感頭對溫度的響應時間，需要選用導熱系數較高的材料，比熱越小越好，在溫度突變時，能快速響應。經過課題組反復計算與試驗，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。通過試驗，傳感器在-40°C～＋80°C溫度范圍內均可精確工作。9.1.2 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62.5/125μm 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應力作用，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。9.1.3 信號處理部分信號處理部分

主要由發光管、探測器的驅動電路與數字電路處理兩部分組成，發光管、探測器的驅動電路技術已經非常成熟。數字電路處理主要使用價廉物美的單片機，CPU使用美國ATMEL 公司生產的AT89C52 單片機，是一塊具有低電壓、高性能CMOS 8 位單片機，片內含8k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256bytes 的隨機存取數據存儲器（RAM），全部采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，與標準MCS－51 指令系統及8052 產品引腳兼容，片內置通用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 公司生產的12 位D574A 芯片，轉換時間位25μs，數字位數可設定為12 位，也可設為8 位，內部集成有轉換時鐘、參考電壓和三態輸出鎖存，可以與微機直接接口。為了方便在現場使用，光纖溫度傳感器擴展了LCD 顯示接口，同時還擴展了一個RS-232 通信口，用于同上位機進行通信，將現場采集的數據傳送到上位機，進一步分析處理。整個監控程序采用模塊化設計，主要的功能模塊有：系統初始化，A/D 采樣周期設定，數字濾波，數據處理，串行通信，中斷保護與處理，顯示與鍵盤掃描程序等。程序采用單片機匯編語言來編寫，使用廣泛、運算的速度快等特點，有效的利用單片機上有限的RAM 空間，其中，由于溫度的變化引起光強的變化不是線性的，因此我們采用查表法對其測量值進行線性補償。

9.2 試驗檢驗與數據處理

已經制作好的溫度敏感頭通過試驗測試。第一步，在溫度敏感頭的一端光纖連接器上加載穩定的短波長的光源，另一端接

相匹配的光功率計，將溫度敏感頭置入恒溫槽中； 第二步，設置恒溫槽溫度，觀察光功率計值的變化情況，要滿足在測量的整個工作區間光功率都有變化；

第三步，定點測量，設定幾個或更多溫度點，記錄下，溫度與光功率對應值，反復多次試驗，觀察溫度敏感頭的重復性。光纖溫度傳感頭通過試驗測試，將溫度與光功率相對應數據制成表格，具體見表1 所示，曲線圖見圖4。

通過上述試驗表明，傳感頭滿足使用要求，重復性非常好，加載發光管與探測器驅動電路以及信號處理電路，整體調試傳感器，觀察溫度與傳感器輸出的電壓值關系，重復操作上述試驗第二、第三步，具體的溫度與電壓相對應值見表2，曲線圖見圖5。

通過觀察上述兩個曲線，形狀基本一致，重復性較好，表明傳感器整體性能滿足要求。將幾個特殊點電壓值送到單片機進行處理，采用直線插值擬合或者最小二乘法曲線擬合，輸出溫度值。通過實測檢驗，與標準溫度值誤差最大值為±1°C，基于金屬熱膨脹式的光纖溫度傳感器設計是成功的，傳感器整體測試精度較高。

9.3 設計方案

系統原理如圖1 所示,采用可見光將光束直接射入2根經端面處理且并排放置的光纖中,同時為使2 根光纖輸出的光強近似相等且最大,采用2 個不同焦距的透鏡來增強光的耦合程度。根據馬赫2曾德干涉原理,在出口處2 路光纖并排緊密放置,發生干涉。隨后由CCD 傳感器接收,并 在監視器上觀測溫度變化時條紋的變化規律。一方面通過溫度標定得到溫度與條紋數的對應關系, 另一方面使用MATLAB 對采集到的干涉圖像進行處理,通過程序自動判別條紋數。從而得到溫度的變化值,實現光纖溫度傳感測量。

馬赫2澤德干涉型光纖溫度傳感器裝置

9.3.1 實現方法與現象(1)平臺的搭建

為了得到較好的效果,實現中應注意以下問題: ①耦合問題:在光纖傳感系統中,各部件采用耦合效率較高的凸透鏡耦合,如圖2 所示。將激光器放在凸透鏡的焦點上,使其為平行光,然后再用另一個凸透鏡將平行光聚集到光纖端面上。整個耦合系統調整組裝較容易,使用方便。

圖2 光路耦合示意圖

②光路準直:搭建實驗平臺時要注意使整個光路平行于平臺,這就需要利用光屏十字法來校準光路。首先確定激光束與實驗平臺平行;其次在光路上分別加上透鏡,調整光具座使透鏡前后的光斑落在十字的中心位置。并且依據透鏡焦距,使光纖的端面盡量位于透鏡的焦點上。如 圖3 所示。

圖3 光路準直示意圖

(2)產生的現象

根據前面論述的方案,通過光路調整等一系列過程,得到干涉圖像如圖4 所示。通過使光纖的感溫部分受熱,可以在監視器上觀察到條紋的變化。當溫度升高時,條紋幾近勻速地向右移動;當溫度降低時,條紋向相反的方向移動。這樣的變化較為規律,但是對于溫度檢測電路來說,要求溫度變化可測,從而得到定量的關系;對于圖像檢測而言,條紋要盡量清晰,明暗對比強烈,才能在圖像處理時減少不必

要的誤差。

圖4 干涉條紋圖像

9.3.2 信號檢測及處理 1 溫度標定

(1)方案: 為使感溫部分的光纖均勻受熱,選擇2 個5 cm的薄銅片將光纖夾入其中。使用電烙鐵為其加熱,使其溫度變化范圍加大,條紋移動明顯。對于其他不感溫光纖,將其固定在絕熱平臺上,減小熱源的影響。

(2)電路設計:本文使用熱敏電阻標定溫度與干涉條紋數之間關系,由于熱敏電阻隨溫度變化呈指數規律,即其非線性是十分嚴重的。當進行溫度測量時,應考慮將其進行線性化處理。測溫電路如圖5 所示。

圖5 測溫電路

本系統中所用的熱敏電阻為負溫度系數。其特性可

以表示為:Rt = Rt0 exp B1T-1T0(1)式中: Rt、Rt0分別為溫度T 和T0 時的電阻值。根據式(1)以及壓阻變換關系可以得到下面這個最終的根據電壓的變化從而測得溫度變化的表達式:1T=1BlnUtUt0+1T0(2)(3)數據處理

在測量過程中,為找到合適的電壓測量點,選擇時間為參考因素,以60 s 為一個階段,測量一次熱敏電阻兩端電壓,記錄電壓值,并根據公式得對應的溫度,求得Δt。同時記錄在這些點間的條紋移動數量,記為Δn。根據Δt 和Δn 可得到溫度與條紋之間的函數關系。(4)結果分析

設條紋變化數為Δy ,溫度變化數為Δx ,則根據實驗數據可以得到這樣一個近似線性的函數關系式:Δy = 8.30Δx。即溫度升高1 ℃,條紋移動8.30 個。如果標定起始溫度,根據這一關系,即可得到變化后的溫度值。9.3.3 干涉條紋圖像采集與處理

采用MVPCI 專業圖像采集卡采集干涉條紋圖像,采集程序如圖6 所示。并對圖像做如下處理(見圖7): 對CCD 采集下來的圖像(見7(a))需調用imfilter 函數進行圖像濾波(濾波結果見圖7(b))。并使用閾值操作將圖像轉換為二值圖像(見圖7(c)),從而很好地將對象從背景中分離出來。通常溫度的判斷基于處理后的條紋圖像,因此需采用邊緣檢測來提取圖像的特征。在MATLAB 中使用專門的邊緣檢測edge 函數,調用Sobel 算子進行檢測。結果如圖7(d)所示。

采集流程圖

圖7 干涉條紋圖像采集與處理

9.3.4 條紋記數程序設計

(1)設計思路:根據邊緣檢測后條紋的圖像質量,提取圖像質量較好的橫坐標為80 的一行元素的像素值,對其進行掃描,得到像素值為1 的位置,即條紋邊緣的位置;由于邊緣提取得到的條紋是原來條紋的輪廓,所以2 個邊緣構成一個亮或暗條紋。因此需要將提取出來的邊緣位置與原圖像進行對比,從而對條紋精確定位;判定離標定位置最近的亮條紋的分布情況,找到條紋移動規律;計算條紋移動周期,借鑒光學測量中的相位展開原理,將圖像變換為近似線性的曲線,從而得到條紋移動過總的像素值,除以周期,即得條紋移動個數。程序模塊流程圖如圖8 所示。

(2)結果分析：通過上面的程序計算,得到距離標志位32 最近的亮條紋位置R 的變化情況(見圖9)。可看出, R 的值是有規律地在變化,表明R 存在周期性。通過程序中得到的r(條紋邊緣像素)計算周期,即T = 22。根據相位展開的相關原

圖8 條紋記數程序流程圖

理,把像素值小于32 ,且與其前相鄰一個像素的差大于某一值時,將其加上一個周期,轉換為類似線性的函數,如圖10 所示。由圖(10)可以得到移動條紋總的像素值M = 820 ,除以展開周期T = 22 , 即可以判別移動條紋個數N =M/ T = 37。由于確定的判別像素間距,程序在條紋小范圍左右徘徊的狀態時難以判別,會產生誤差。因此,程序計算得到的數據與前面測溫時數出來的條紋個數41～46(120 s)近似,說明此程序的處理較為正確。此時,根據前面溫度檢測得到的結果,即條紋數與溫度變化的關系Δy = 8.30Δx ,得到溫度變化值Δx =Δy/ 8.30 = N/ 8.30 = 4.46 ℃,對照前面熱敏電阻計算的溫度變化值5.27 ℃,結果較為一致。說明此程序可以用來判定條紋個數,對應溫度變化與條紋數的關系,就可以得到溫度變化值,從而實現光纖溫度傳感測量。

圖9 距標定位最近的亮條紋分布圖

圖10 展開后的圖像 結束語 畢業設計（論文）參考文獻

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[16]UDD E , SEIM J.Fiber optic sensor for inf rast ructure applications [ Z ].Final Report SPR 374 , February 1998 ,Oregon Department of Transportation :53286.21

第三篇：光纖氣體傳感器總結

光纖氣體傳感器調研總結

光纖氣體檢測綜述

1.1國內外光纖氣體檢測技術的發展

氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測出來, 并轉換成電信號的器件, 人們很早就開始了氣體傳感器的研究, 將其用來對有毒、有害氣體的探測, 對易爆、易燃氣體的安全報警。對人類生產生活中所需了解的氣體進行檢測、分析研究等, 使得它在工業生產和日常生活中起到耳目的作用。

光纖傳感技術是一項正在發展中的具有廣闊前景的新型高技術。由于光纖本身在傳遞信息過程中具有許多特有的性質, 如光纖傳輸信息時能量損耗很小, 給遠距離遙測帶來很大方便。光纖材料性能穩定, 不受電磁場干擾, 在高溫、高壓、低溫、強腐蝕等惡劣環境下保持不變所以光纖傳感器從問世到如今, 一直都在飛速發展[1]。

世界上已有多種光纖傳感器，諸如位移、速度、加速度、壓力、流量等物理量都實現了不同性能的光纖傳感。光纖氣體傳感技術是光纖傳感技術的一個重要應用分支，主要基于氣體的物理或化學性質相關的光學現象或特性。近年來，它在環境監測、電力系統以及油田、礦井、輻射區的安全保護等方面的應用顯示出其獨特的優越性[2]。

1989年，西安應用光學研究所的郭栓運對光纖氣體傳感器展開研究，在應用光學雜志上介紹了差分光譜吸收的基本原理，給出了實驗框圖和應用實例[15]。

1992年，中國礦業大學的王耀才等在光纖通信技術雜志上介紹了吸收型光纖瓦斯傳感技術和干涉型瓦斯傳感器的原理，并對其在煤礦重的應用前景做了探討[16]。

1997年，山東礦業學院的曹永茂等人針對光纖瓦斯傳感器光波波長的選擇展開討論，提出根據傳感器技術指標來確定光纖瓦斯傳感器的基本參數，并建立了相應的數學模型[17]。

1999年，大連理工大學劉文琦等人報道了一種新型透射式光纖甲烷傳感器，用1.31μｍ InGaAsP型LED做光源測量甲烷濃度，通過研究制備一種納米級多透射膜，增強了甲烷氣體對激光的光譜吸收[18]。同年，香港理工大學,靳偉應用調制光盤技術對DFB激光器驚醒調制，研究光纖氣體傳感器的分時多路復用（TDM）技術。靳偉建立了計算仿真模型，仿真結果表明由20個甲烷氣體傳感器組成的光纖氣體傳感器陣列的檢測靈敏度可以達到2000ppm[19-20]。之后靳偉博士與清華大學喻洪波合作，實現了連續波調頻技術復用的光纖氣體多點傳感系統[21]。

2000年，浙江大學葉險峰等在對CH4分子近紅外洗后光譜分析比較的基礎上考慮與光纖的低損耗窗口相一致以及價格等因素，采用價廉的1.3μｍ波段的LED作為光源，實現了對甲烷氣體的檢測，檢測靈敏度為1300ppm/m[6]。

2001年，燕山大學王玉田等根據甲烷氣體的吸收光譜，研究了一種利用價格低廉的LED作為光源的新型投射式光纖甲烷氣體傳感器，選擇兩種同型號的LED光源作為差分吸收信號，光源驅動器自動實行交替斬波[7]。為了保證系統對甲烷氣體檢測的精度，采取了兩項措施，一是設置了參考通道，二是采用了光源反饋通道以增強LED光源的穩定性[8]。

2005年，張愛軍[3]對光譜吸收型光纖氣體進行了研究。每一種氣體都有固有的吸收譜，當光源的發射光波與氣體的洗后光波長相吻合時，就會放生共振洗后，其洗后強度與該氣體的濃度有關，通過測量光的吸收強度就可測量氣體的濃度。以甲烷氣體為例，通過實驗研究，分析了吸收路徑長度對傳感器靈敏度的影響，增加吸收路徑的長度，有利于提高傳感器的靈敏度。氣體體濃度較小時，通過增加吸收路徑的長度來提高傳感器的靈敏度效果明顯。

2006年，中國科學院安徽光機所的闞瑞峰等可調諧二極管激光吸收光譜與多次反射池相結合，研制了用于地面環境空氣中甲烷含量檢測的便攜式吸收光譜儀，并利用不同體積分數的甲烷氣體對系統進行了測試，取得了很好的測試結果[9]。王曉梅等分析了TDLAS諧波信號的特征，建立了諧波信號的數學模型，利用較高濃度氣體的二次諧波信號作為曲線，對待測氣體的諧波信號進行線性回歸[10]。

2007年，燕山大學王艷菊等采用雙光路、雙波長來解決光源功率波動、光纖損耗等問題，在接受端采用旋轉雙色濾光器和單探測器消除了雙光電器件的飄逸對測量結果的影響[11]。同年，中國科學院安徽光機所的陳玖等應用自平衡測量方法，消除了激光的共模噪聲和其他同性干擾的影響，該方法不用加信號調制和所想放大器，減小了系統裝置的體積，易于集成便攜式痕量氣體檢測儀[12]。

2008年，褚衍平等通過光纖光柵和壓電陶瓷對快帶光源LED進行調制，獲得了與氣體吸收峰對應的窄帶反射出射光，檢測二次諧波實現氣體濃度的高靈敏測量，利用測量氣室和參考氣室的二次諧波比值來消除吸收系數隨環境的變化、光源光功率的波動和光路干擾對測量精度的影響[13]。

2009年，華南理工大學肖兵等基于自平衡激光接收器和數字鎖定放大器構造了TDLAS汽車尾氣動態濃度測量系統，自平衡激光接收器通過引入一個低頻反饋回路去維持吸收信號和參考信號的自動平衡，數字鎖定放大器由DSP芯片實現相關檢測算法，提高了系統的測量靈敏度[14]。

2010年，南京航空航天大學齊潔提出了基于光源掃描的光纖氣體傳感器系統設計方案，設計了一種新的基于查分吸收院里的氣體傳感系統，能對單一氣體記性對波段測定檢測，同時可以完成多種氣體共存環境的檢測。提出了一種基于最小二乘的背景噪聲消除方法。利用傳感氣室的輸入和輸出的擬合曲線相除的方法，實現了傳感器輸出的歸一化，解決了傳感器背景噪聲漂移的問題，同時解決了濃度對氣體吸收譜擬合線的影響，提高了測量精度[4]。

2012年，張可可[5]以比爾-郎伯定律為理論基礎，研究利用光譜吸收法測量氣體的濃度，根據HIRAN數據庫，選擇近紅外區甲烷2v3帶R3支的三條氣體吸收線記性研究，并確定吸收譜線的相關參數。研究波長調制光譜與諧波檢測理論，利用傅立葉級數展開模型和泰勒級數展開模型分析各次諧波信號，在頻率調制信號模型的基礎上，采用頻率-強度調制信號模型研究強度調制對各次諧波信號的影響。研究高斯線型和洛倫茲線型的各次諧波型號余波長調制系數的關系，確定各次諧波最佳的波長調制系數。對激光在光路中多次反射形成的標準具曉瑩展開研究，為標準具噪聲的抑制提供理論依據。

專利方面，國內發明專利《D形光纖消逝場化學傳感器》，發明提出一種用于醫療、環境監控、食品安全等檢測量的D形光纖消逝場化學傳感器。《光纖生物傳感器》這是一種光纖生物傳感器，用于測定環境中微生物的種類、含量等。《光纖液位傳感器》，一種光纖液位傳感器，包括有光源，探測器和傳感頭。《帶有光纖氣體傳感器的傳感系統》 專利號：CN101545860 發明人：夏華;J·S·戈德米爾;K·T·麥卡錫;A·庫馬;R·安尼格里;E·伊爾梅茨;A·V·塔瓦爾;Y·趙。這是一種包括光纖芯(32)的光纖氣體傳感器(20),該傳感器具有 位于光纖芯周圍的具有不同調幅輪廓的第一和第二折射率周期調制光 柵結構（36、38)。光纖包層(40)位于所述第一和第二折射率周期 調制光柵結構周圍。敏感層(42)位于所述折射率周期調制光柵結構 的其中一個的光纖包層周圍。該敏感層包括由Pd基合金制成的敏感材 料,該Pd基合金例如是納米PdOx、納米Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y)或納米 Pd/Au/WOx。光纖氣體傳感器提供對來自燃燒環境的局部溫度校正氣 體濃度和成分的測量。本發明也描述了具有一個或多個光纖氣體傳感 器的陣列的基于反射或基于透射的傳感系統。《一種光纖氣體傳感器》 專利號：CN101059443 發明人：侯長軍;霍丹群;張紅英;廖海洋;鄭小林;侯文生;楊軍;皮喜田。這是一種光纖氣體傳感器,涉及檢測光氣及揮發性有機氣體的光纖氣體傳感器。本發明傳感器 主要包括入射光線和出射光纖、反應池及金屬卟啉溶液等。由于本發明傳感器具有操作簡單、成本低廉；能使待測氣體與金屬卟啉溶液敏感物質充分反應,顯著提高檢測的靈敏度；同一 反應池能對多種目標氣體同時進行有效檢測；從反應池的加料口加入不同的金屬卟啉溶液, 就能對不同的目標氣體進行有效檢測,檢測范圍廣等特點,故本發明傳感器可廣泛應用于廠 房裝修、室內裝修、工業生產及精細化工等行業中檢測光氣及揮發性有機物氣體,有利于環 境保護和人們的身心健康。SENSING SYSTEM WITH OPTICAL FIBER GAS SENSOR，專利號：JP2009244262發明人：XIA HUA;GOLDMEER JEFFREY SCOTT;MCCARTHY KEVIN THOMAS;KUMAR ADITYA;ANNIGERI RAVINDRA;YILMAZ ERTAN;TAWARE AVINASH VINAYAK;ZHAO YU。這個專利發明了一種傳感系統以及傳感器。傳感系統包括一組不同類別的光纖氣體傳感器，這些傳感器通過溫度修正測量氣體濃度。光纖氣體傳感器包括光纖芯，第一和第二折射率周期性調制光柵結在光纖芯里有不同的振幅調制方法。光纖包層包裹著第一和第二折射率周期性調制光纖結構。傳感層位于光纖包層結構中。傳感層包括一個由Pb合金傳感材料，如納米級氧化鉑等。光纖氣體傳感器是在燃燒環境中通過溫度修正測量氣體濃度。

1.2光纖氣體傳感器分類

（1）光譜吸收型光纖氣體傳感器 光譜法通過檢測樣氣透射光強或反射光強的變化來檢測氣體濃度。每種氣體分子都有自己的吸收譜特征，光源的發射譜只有在與氣體吸收譜重疊的部分才產生吸收，吸收后的光強發生變化。根據比爾-朗伯定律，當波長為λ 的單色光在充有待測氣體的氣室中

傳播距離為L 后，其吸收后的光強為：

I(λ)=I0(λ)exp(-αλCL)（1）

式（1）中，I0(λ)為波長為λ 的單色光透過不含待測氣體的氣室時的光強；C 為吸收氣體的濃度；αλ為光通過介質的吸收系數。整理即：

I0)IC???L

（2）

ln(通過檢測通氣前后光強的變化，就可以測出待測氣體的濃度。利用介質對光吸收而使光產生衰減這一特性制成吸收型光纖氣體傳感器原理如圖1 所示。光源發出的光，由光纖送入氣室，被氣體吸收后，由出射光纖傳至光電探測器，得到的信號光送入計算機進行信號處理，可得出氣體濃度。

圖1 光纖氣體傳感器原理框圖

（2）漸逝場型光纖氣體傳感器

漸逝場型光纖傳感器是利用光纖界面附近的漸逝場被氣體吸收峰衰減來測量氣體濃度的方法，是一種功能性光纖傳感器，從本質上說，可以認為是一種特殊的光纖光譜吸收型傳感器。（3）熒光型光纖氣體傳感器

這是一種通過測量與氣體相應的熒光輻射來確定其濃度的光纖氣體傳感器。熒光可以由被測氣體本身產生也可以由其相互作用的熒光染料產生。熒光物質受吸收光譜中特定波長的光照射時，被測氣體的濃度既可以改變熒光輻射的強度，也可以改變其壽命。和吸收型光纖氣體傳感器相比，熒光行傳感器使用波長（熒光波長）不同于激勵波長。由于不同的熒光材料通常具有不同的熒光波長，因此熒光傳感器對被測量的鑒別性好。實際上希望輻射波長和激勵波長離開的越遠越好，在輸出端可用廉價的波長濾波器將激勵光和傳感光分開。通常激勵波長在可見光或紅外區，這一波段上光源技術成熟，幾個也比較低廉。（4）燃料指示劑型光纖氣體傳感器

一些氣體在石英光纖低耗窗口內沒有較強的吸收峰，或者雖有吸收峰但相應波長的光源或檢測器不存在或太昂貴，解決這些問題的方法之一是應用燃料指示劑作為中間物來實現間接傳感。燃料與被測氣體發生化學反應，使得燃料的光學性質發生變化，利用光纖傳感器測量這種變化，就可以得到被測氣體的濃度信息。最常見的燃料指示劑光纖氣體傳感器是pH值傳感器，一些燃料指示劑的顏色會隨著pH值得變化而變化，引起對光的吸收的變化。通過測量某些氣體濃度變化帶來的pH值變化，分析氣體濃度信息。

圖 2 1.3 光纖氣體傳感器的特點

由于光纖本身傳輸損耗和微型結構，光纖氣敏傳感器存在兩個基本限制：一是光線的低損耗傳輸窗口的限制，石英光纖只在1.1~1.7um的近紅外區有低損耗和低散射。若在中、遠紅外區進行探測會造成光信號較大的衰弱，致使光通過待測氣體后的變化與氣體的檢測參數不成特定的關系。而多數氣體在中、遠紅外光譜區存在較強的吸收光譜。另一限制是光纖本身的微型結構使得光纖只有較小的數值孔徑，光耦合難以很高。但在短距離傳輸檢測中，采用數值孔徑較大的塑料光纖可提高光耦合，又不會產生較大的傳輸損耗。

盡管光纖氣體傳感純在限制，但光纖氣體傳感器較傳統的氣體傳感器仍具有很多優點：

（1）光纖氣體傳感器本質安全、抗電磁干擾、絕緣性能好，且耐高溫、耐高壓、防腐蝕、阻燃防爆，適用于遠距離遙測和某些特殊環境的分析；（2）光纖傳輸損耗低，信息容量大，直徑細，重量輕，光纖及探頭均可微型化；

（3）測量范圍寬，精度高，工作穩定，壽命長，成本低，可同時進行多參數或連續多點檢測疑惑的大量信息；

（4）系統匹配性能好，容易實現檢測及反饋控制的數字化、自動化和一體化；

（5）光纖探頭對被測量場的影響小，靈敏度高，動態范圍大，響應速度快；（6）光纖的生物兼容性好，加之良好的柔韌性和不帶點的安全性，使之尤其適應于生物和臨床醫學上的實時、體內檢測；

（7）在大多數情況先，光纖氣體傳感器不改變樣品的組成，是非破壞性分析。

由于光纖氣體闖愛情具有上述有點，尤其他的本質安全、抗電磁干擾的特點，是其他氣體傳感器無法比擬的。這使它可以安全方便地用于易燃易爆、強電磁干擾或其他惡劣環境中氣體的檢測。

產品調研

1、北京品傲光電科技有限公司 光纖傳感器性能指標如圖3：

圖 3 系統設備及參數如圖4：

圖 4 光纖氣體傳感器課探測氣體如圖5：

圖 5 產品實例圖：

10,000 ppm= 1％ v / v（體積之比）價格：

35萬左右。基恩士（香港）有限公司

目前產品只能測氣體的有無，但工作溫度能到達300度

2、深圳富凱士公司

只能測單一氣體的話是有成品，但是要將混合氣體的成分區分開來的話，我們還在實驗室階段，暫時沒有成品提供。

3、北京蔚藍仕沒有相關光纖氣體傳感器。

瀏覽多家國外知名氣體傳感器廠家中國區主頁，如英國City Technology；日本費加羅，歐姆龍（只能測物體數量）Nemoto；美國飛思卡爾，歐米伽；德國SENSOR等。未發現相關光纖氣體傳感器的產品。

長春光機所：期刊論文《用于石油測井和管道運輸的分布式光纖傳感技術》，闡述了我國分布式壓力，溫度光纖傳感器在石油化工方面的應用情況。

發明專利《D形光纖消逝場化學傳感器》，發明提出一種用于醫療、環境監控、食品安全等檢測量的D形光纖消逝場化學傳感器。《光纖生物傳感器》，這是一種光纖生物傳感器，用于測定環境中微生物的種類、含量等。《光纖液位傳感器》，一種光纖液位傳感器，包括有光源，探測器和傳感頭。安徽光機所： 王曉梅等《基于可調諧二極管激光吸收光譜的高精度痕量氣體濃度定量方法》，分析了TDLAS諧波信號的特征，建立了諧波信號的數學模型，利用較高濃度氣體的二次諧波信號作為曲線，對待測氣體的諧波信號進行線性回歸。

參考文獻

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第四篇：10KV開關柜光纖光柵測溫系統技術方案要點

**市220KV雙堰變電站

開關柜光纖光柵測溫系統

技

術

方

案

概述

電力設備在正常工作時都會產生發熱現象。線路、設備等的連接處由于環境影響，加工工藝等原因使連接部分壓接不緊、壓力不夠、觸頭間的接觸部分發生變化等引起接觸電阻變大，發熱現象會更加明顯。長期如此會加速電力設備線路等的老化，引起電力設備的絕緣性能下降，嚴重的還能觸發電弧短路，降低設備使用壽命，引起重大的電力事故。尤其是隔離開關活動的動、靜觸頭部分、主變引線、電纜頭發熱現象比較突出，故障率高，每年均有此類問題發生。目前監視方法仍靠工作人員定期完成的，費時費力，工作效率極低，而且不能及時發現潛藏的隱患，有些電力設備的焊點與接頭位于不便觸及的里端，這又給檢測人員帶來了極大的不便。

光纖光柵傳感技術是近年來發展起來的一門嶄新的技術，是伴隨著光導纖維及光纖通信技術發展而派生的全新概念的傳感技術。光纖光柵傳感器通過辨析光波長來檢測、度量外界物理量的變化。作為傳感器家族新成員，光纖光柵傳感器具有以下明顯的優點：

1)

抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、安全性好——對電絕緣，適合高電壓場所；

2)

靈敏度高，溫度精度高，壽命長，綜合性能全面優于現有監測手段；

3)

重量輕、體積小、可撓曲，適用于狹小空間；

4)

測量對象廣泛，對被測介質影響小；

5)

易于組網，實現遠距離分布式測量。

系統設計目標

光纖光柵測溫系統必須滿足：

?

實施探測開關柜觸頭溫度

?

準確定位異常溫度開關柜地址；

?

光纖光柵測溫系統應能及時、準確的檢測開關柜中A,B,C三相電纜頭；A,B,C三相靜觸頭；開關柜內部環境實時溫度，溫度異常報警信號可通過光纖光柵測溫主機傳送給儀表操作室現有的火災控制器，實現報警并在消防值班室的工控機顯示，也可通過手機短信發送信息至相關人員手機。

系統設計范圍

本系統設計包含針對本次系統的整體設計、設備供貨、安裝指導、調試開通、配合驗收以及設備保修等服務。其中系統設備包含光纖光柵測溫主機（AP-DTS800）、光纖光柵傳感器（AP-DTS800A）、AP-PSTO絕緣增爬器及其他安裝附件。

系統設計優點

1）

絕緣耐壓性強：

在電力系統尤其是高壓和超高壓系統中使用的設備，首先要滿足絕緣耐壓的要求，即不能降低原有設備的電壓等級和安全特性，基于光纖光柵原理的AP-DTS800光纖光柵在線測溫系統在監測現場為全光測量，并且采用加涂特氟龍高性能特種涂料的特殊光纜完全滿足高壓開關柜內的絕緣耐壓要求。

2）

C+L寬光源：

我公司DTS100光纖光柵傳感分析儀采用C+L寬光源，輸出光功率穩定性好，功率損耗低，使用壽命長；波長覆蓋范圍廣1525nm-1610nm

。AP-DTS800光纖光柵傳感分析儀每通道可連接最多40個光纖光柵溫度傳感器（采用普通光源的光纖光柵傳感分析儀每通道最多連接25個光纖光柵溫度傳感器）。

3）

防污閃：

在高壓開關柜這樣的有限空間內，如何保證光纖留有足夠的爬電距離是該系統能否保證原有系統安全的一大關鍵。四川安普光控科技有限公司提供的AP-DTS800A光纖光柵溫度傳感器采用耐污性能優良的硅橡膠外套光纖進行信號傳輸，從而保證了系統的安全性。DTS800A光纖光柵溫度傳感器加裝防閃絡絕緣增爬器（絕緣子），徹底解決光纖測溫系統中由于光纖的接入可能存在的閃絡問題，保障整個光纖測溫系統在最惡劣的環境中也可以安全運行

4）

故障點準確定位：

傳統的光纖測溫方式定位精度低，而且為了定位需要將5米光纖盤成一個盤來安裝，不僅安裝復雜，而且測量周期很長，還有很多隱患。而光纖光柵測溫系統由于采用了光纖光柵做測溫敏感元件，所以可以通過光纖光柵溫度傳感器來準確定位，對過熱相或溫升異常相進行報警，不僅可以測溫，同時還可以通過溫度的監測間接判斷小電流接地端，作為小電流接地監測的補充。

5）

實時探測報警能力：

傳統光纖測溫方式，如測溫點在40點到100點之間，則測溫周期在幾分鐘到半小時之間。采用新型的光纖光柵測溫系統，全部測點測溫周期小于50毫秒，充分的保證報警的及時性，同時由于測溫周期短，可以在報警系統中引入溫升趨勢報警，提高了報警的可靠性和前瞻性，提高電力設備的安全性。

6）

系統穩定性高：

光纖光柵測溫系統的整體結構簡單，只有光纖光柵溫度傳感器和分析儀兩大主要部分組成，因此無中間環節，而測量現場為全光測量，完全不受強電場和強磁場的干擾，保障了系統的穩定運行。

7）

高可靠性：

光纖光柵測溫系統與傳統測溫方式相比有無誤報、無漏報的特點，這是由于光纖光柵只對溫度敏感，因此無論是其他條件發生何種變化，都不會對光纖光柵測量的準確性發生影響，另外，光纖光柵的加工方式采用物理加工的方式，因此，一旦產品完成后，除非破壞不會產生零點漂移，所以光纖光柵測溫系統不需要向傳統的測溫系統那樣，定期進行零點標定，從而非常方便于維護。

系統設計規范

光纖光柵測溫系統的設計符合下列規范：

GB

2423.1

《電工電子產品基本環境試驗規程

試驗A（低溫試驗方法）》

GB

2423.2

《電工電子產品基本環境試驗規程

試驗B（高溫試驗方法）》

GB

4208

《外殼防護等級的分類》

GB/T

5226.1

《工業機械電氣設備

第一部分：通用技術條件》

GB

5080.1

《設備可靠性試驗總要求》

GB/T

11022-1999

《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》

GB/T

17626-1998

《電磁兼容、試驗和測量技術》

GB/T

17626.2

《靜電放電抗擾度試驗》

GB/T

17626.3

《射頻電磁場輻射抗擾度試驗》

GB/T

17626.4

《電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》

GB/T

17626.5

《浪涌（沖擊）抗擾度試驗》

GB/T

17626.6

《射頻場感應的傳導騷擾抗擾度》

GB/T

17626.8

《工頻磁場的抗擾度試驗》

Q/CSG

0011-2005

220kV~500

kV

《變電站電氣技術導則》

系統設備技術指標和性能

6.1

光纖光柵測溫主機

品牌：四川安普

型號：DTS800

l

通道數：1-128

l

測溫精度：±0.5℃

l

測溫分辨率：0.1℃

l

測溫速率：20Hz

l

傳感器光纖最大傳輸距離：40km

l

通信接口：10/100M自適應以太網

l

報警接口：1)光電隔離繼電器輸出

2)手機短信報警模塊

3）語音報警音頻接口

l

供電電源：AC：220V

/50Hz

l

工作環境溫度：-10℃～+50℃

l

機箱：標準19英寸工業機箱

6.2

光纖光柵傳感器（DTS800A）

l

測溫范圍：-55℃～200℃

l

最大耐溫能力：220℃

l

溫度分辨率：0.1℃

l

精度：±0.5℃

l

響應時間：<2S

l

光纜最大傳輸距離：40km

6.3

AP-PSTO絕緣增爬器

氣候潮濕地區，鹽霧嚴重的沿海地區以及重工業集中、空氣污染嚴重的區域，開關柜的運行環境相對惡劣。開關柜在長期運行過程中，由于水汽，塵埃，鹽霧等的積累，導致內部絕緣部件尤其是表面絕緣強度大大降低，甚至發生閃絡導致表面擊穿，從而引發事故的發生。AP-PSTO系列防閃絡絕緣增爬器的應用，徹底解決光纖測溫系統中由于光纖的接入可能存在的閃絡問題，保障整個光纖測溫系統在最惡劣的環境中也可以安全運行。

AP-PSTO絕緣增爬器可應用于220kV及以下電氣系統。在工廠內與光纖感溫傳感器以及傳輸光纖預裝配為一個整體部分，不增加任何現場安裝工序。AP-PSTO亦可以加裝在已經運行的光纖測溫系統中，徹底解決原有測溫系統可能存在的絕緣安全隱患。

型號

AP-PSTO

AP

-PSTO

AP

-PSTO

額定電壓等級

kv

35kv

110kv

適應污穢等級

Ⅳ

Ⅳ

Ⅳ

傳感器安裝步驟

1.清潔被測物體表面

將被測物體表面的灰塵、鐵銹、污物等清理干凈，如果有條件可以用酒精棉擦試被測物體表面，直到擦拭干凈為止。

2.盤纖

對于被測物體表面只能采用單端出光纜的測點位置，將傳感器固定好，光纜按照圖所示盤纖，盤纖直徑不小于50mm，盤完以后順著開關柜用扎帶分段捆扎。

絕緣扎帶

傳感器

絕緣耐高溫光纜

3.固定捆扎傳感器

感溫區

傳感器主體

耐高溫光纜

4.傳感器外形如圖所示，將感溫區涂上適量的導熱絕緣膠，安放于被測物體表面。

被測物體

安裝固定槽

傳感器

安裝示意圖如圖所示。

5.光纜接續盒熔接保護

首先需要將主光纜的一端用開纜刀剝掉230mm長的外層披覆，光纜盒的一端光纜剝掉120mm長的外層披覆，其中凱氟拉的長度不小于30mm。然后加熱縮套管放進光纖熔接機進行熔接、熱縮。將熔接好的光纜盤在光纖接續盒內固定結實。

6.接入主纜

傳感器安裝實例

傳感器安裝在10kv/35kv母排上，光纜要順著自身母排的絕緣橡膠套走纜。距傳感器安裝10cm處要用定位吸盤固定緊，盡量避免光纜在柜內纏繞。盤圈的光纜要固定整齊，安裝后要求傳感器信號正常、安全無隱患。

傳感器安裝及走線規范圖

傳感器安裝及走線規范圖

傳感器安裝及走線規范圖

傳感器安裝及走線規范圖

分路器及盤纖的安裝位置

通信光纜的布置

接續盒內的熔接整理規范

開關柜結構圖

分析儀安裝

安裝前，檢查設備使用說明書及有關文檔（裝箱單、裝箱手冊等)，針對使用要求對裝箱單進行復核，確認所需部件己全部供齊。會同客戶單位人員共同對設備進行開箱點驗，辦理移交手續。開箱時，對照裝箱單以全部設備、零部件、附屬材料及專用工具進行復核，清點，確認設備、零部件、規格、型號、數量與裝箱文件和施工圖紙或者合同相符，檢查設備在運輸過程中是否受到損傷，及時發現安裝時可能發生的錯誤和損壞，各方有關負責人在產品接收單上簽字、存檔。

把分析儀、工控機安裝在標準19英寸機柜上，接好短信報警模塊、報警燈、用直通線把分析儀和工控機連接起來，把機柜的地腳螺釘鎖緊，當心機柜倒塌。

在施工完畢后，把施工現場清理干凈。

電力開關柜光纖在線測溫系統軟件功能

1.火災自動報警

自動對光纖光柵溫度傳感器所在區域進行實時溫度監控，檢測現場溫度的異常波動，在火災發生前及時報警。

2.監測點定位

液晶顯示屏以電子地圖方式實時顯示各電力設備及相應溫度監測點的編號和當前溫度值以及實際地理位置，方便管理人員操作和維護。

電子地圖界面

3.遠程網絡在線狀態查詢

各個監測點的溫度和報警信息都保存到大容量儲存器中，系統按照時間將數據分為歷史信息、實時信息；

管理操作人員可以動態調整被監測點的實時狀態監測時間間隔滿足實際要求；

管理操作人員可在局域網上查看各監測點的歷史溫度變化曲線，為決策和維護提供數據支持；

溫度曲線界面

詳細溫度顯示界面

4.報警設定

可對開關柜觸頭溫度的過溫報警觸發條件進行設定，以適用不同季節氣溫條件下及不同負荷條件下電力開關柜實際運行溫度的差異。系統出廠設定的缺省報警觸發條件為：

溫度超過75℃

溫升速率超過8℃／min

超過區域內平均溫度值15℃以上

5.溫度統計

可給出設備最高運行溫度值及其發生時間、持續時間及對應監測點的位置編號和地理信息。

6.系統聯動

分析儀報警接口輸出開關量可直接接入儀表操作室現有的火災控制器，實現火災報警并在消防值班室顯示，也可通過手機短信發送信息至相關人員手機。

7.線路自檢及故障定位

具有自檢功能，可對光纖傳輸線路的損耗及斷點位置進行準確定位，方便系統調試、維護及線路檢修。

系統聯網圖

設備及材料清單

清單號

項目名稱

型號規格

制造商及原產地

單位

數量

單價（元）

合計(元)

備注

19寸標準機柜

個

工控機

個

光纖光柵測溫主機

DTS800

安普/四川

光纖光柵傳感器

DTS800A

安普/四川

個

220

絕緣增爬器

AP-PSTO

安普/四川

個

220

以太網網線

根

光纖分線盒

個

通信光纖

米

1分6光纖接續盒

安普/四川

個

傳感器固定卡扣

個

660

光纖光柵在線分析軟件

安普/四川

套

安裝附件

套

第五篇：DS18B20溫度傳感器設計報告

傳感器課程設計

專 業： 計算機控制技術

---數字溫度計

年 級： 2011 級 姓 名： 樊 益 明

學 號： 20113042

指導教師： 劉 德 春

阿壩師專電子信息工程系

1.引 言

1.1.設計意義

在日常生活及工農業生產中，經常要用到溫度的檢測及控制，傳統的測溫元件有熱電偶和熱電阻。而熱電偶和熱電阻測出的一般都是電壓，再轉換成對應的溫度，需要比較多的外部硬件支持。其缺點如下：

● 硬件電路復雜； ● 軟件調試復雜； ● 制作成本高。

本數字溫度計設計采用美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后推出的一種改進型智能溫度傳感器DS18B20作為檢測元件，測溫范圍為-55～125℃，最高分辨率可達0.0625℃。

DS18B20可以直接讀出被測溫度值，而且采用三線制與單片機相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的熱點。設計要求

2.1基本要求 1)用LCD12232實現實時溫度顯示溫度和自己的學號。2)采用LED數碼管直接讀顯示。2.2擴展功能

溫度報警，能任意設定溫度范圍實現鈴聲報警；

33.1單片機89C52模塊

單片機89C52是本設計中的控制核心，是一個40管腳的集成芯片構成。引腳部分：單片機引腳基本電路部分與普通設計無異，40腳接Vcc+5V，20腳接地。X1，X2兩腳接12MHZ的晶振，可得單片機機器周期為1微秒。RST腳外延一個RST復位鍵，一端通過10K電阻接Vcc，一端通過10K電阻接地。AT89S52是一種低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，具有8K的可編程Flash 存儲器。使

資料準備 用高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在線系統可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8K字節Flash，256字節RAM，32位I/O 口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。P 0口接一個470的上拉電阻。P0口0~8腳接4位共陽數碼管的段選，P2口0~4腳接4位共陽數碼管的位選，P3.7接DS18B20采集信號。

3.2 DS18B20簡介

DALLAS最新單線數字溫度傳感器DS18B20簡介新的“一線器件”體積更小、適用電壓更寬、更經濟 Dallas 半導體公司的數字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網絡，為測量系統的構建引入全新概念。DS18B20、DS1822 “一線總線”數字化溫度傳感器 同DS1820一樣，DS18B20也支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55°C~+125°C，在-10~+85°C范圍內,精度為±0.5°C。DS1822的精度較差為± 2°C。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。適合于惡劣環境的現場溫度測量，如：環境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產品等。與前一代產品不同，新的產品支持3V~5.5V的電壓范圍，使系統設計更靈活、方便。而且新一代產品更便宜，體積更小。DS18B20、DS1822 的特性 DS18B20可以程序設定9~12位的分辨率，精度為±0.5°C。可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設定，及用戶設定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20的性能是新一代產品中最好的！性能價格比也非常出色！DS1822與 DS18B20軟件兼容，是DS18B20的簡化版本。省略了存儲用戶定義報警溫度、分辨率參數的EEPROM，精度降低為±2°C，適用于對性能要求不高，成本控制嚴格的應用，是經濟型產品。繼“一線總線”的早期產品后，DS1820開辟了溫度傳感器技術的新概念。DS18B20和DS1822使電壓、特性及封裝有更多的選擇，讓我們可以構建適合自己的經濟的測溫系統。3.3 溫度傳感器的工作原理

DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數因分辨率不同而不同，且溫度轉換時的延時時間由2s 減為750ms。DS18B20測溫原理：低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數器1。高溫度系數晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產生的信號作為計數器2的脈沖輸入。計數器1和溫度寄存器被預置在－55℃所對應的一個基數值。計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當計數器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數器1的預置將重新被裝入，計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環直到計數器2計數到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值，即為所測溫度。

3.4 DS18B20中的溫度傳感器對溫度的測量

高速暫存存儲器由9個字節組成，其分配如表5所示。當溫度轉換命令發布后，經轉換所得的溫度值以二字節補碼形式存放在 高速暫存存儲器的第0和第1個字節。單片機可通過單線接口讀到該數據，讀取時低位在前，高位在后。

溫度數據值格式

下表為12位轉化后得到的12位數據，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際 溫度。例如+125℃的數字輸出為07D0H，實際溫度=07D0H*0.0625=2000*0.0625=125℃。

例如-55℃的數字輸出為FC90H，則應先將11位數據位取反加1得370H（符號位不變，也不作運算），實際溫度=370H*0.0625=880*0.0625=55℃。

可見其中低四位為小數位。

DS18B20溫度與表示值對應表

3.5 DS18B20的內部結構

DS18B20內部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如下:

DQ為數字信號輸入/輸出端；

GND為電源地；

VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。

1)64位的ROM 光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產品類型標號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目的。

2)DS18B20溫度傳感器的存儲器

DS18B20溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的E2RAM,后者存放高溫度和低溫度觸發器TH、TL和結構寄存器。

暫存存儲器包含了8個連續字節，前兩個字節是測得的溫度信息，第一個字節的內容是溫度的低八位，第二個字節是溫度的高八位。第三個和第四個字節是TH、TL的易失性拷貝，第五個字節是結構寄存器的易失性拷貝，這三個字節的內容在每一次上電復位時被刷新。第六、七、八個字節用于內部計算。第九個字節是冗余檢驗字節。

3.6 DS18B20的時序

由于DS18B20采用的是單總線協議方式，即在一根數據線實現數據的雙向傳輸，而對89C51單片機來說，硬件上并不支持單總線協議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。

由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數據，因此，對讀寫的數據位有著嚴格的時序要求。DS18B20有嚴格的通信協議來保證各位數據傳輸的正確性和完整性。該協議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設備，單總線器件作為從設備。而每一次命令和數據的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數據，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數據接收。數據和命令的傳輸都是低位在先。

1）DS18B20的復位時序

2）DS18B20的讀時序

對于DS18B20的讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程。

對于DS18B20的讀時隙是從主機把單總線拉低之后，在15秒之內就得釋放單總線，以讓DS18B20把數據傳輸到單總線上。DS18B20在完成一個讀時序過程，至少需要60us才能完成。

3）DS18B20的寫時序

對于DS18B20的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序兩個過程。

對于DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同，當要寫0時序時，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線上的“0”電平，當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15us之內就得釋放單總線。

4系統框架設計如下圖所示：

按照系統設計功能的要求數字溫度計總體電路結構框圖如下圖所示

5硬件設計

溫度計采用AT89C51單片機作為微處理器，溫度計系統的外圍接口電路由晶振、LCD顯示電路、復位電路、溫度檢測電路、LCD驅動電路。

溫度計的工作過程是：初始化其接收需要檢測的溫度，并一直處于檢測狀態，并將檢測到的溫度值讀取，并轉化為十進制數值，通過LCD顯示出來，再顯示溫度,方便用戶來讀數使用記錄數據。

溫度計系統的的硬件電路圖如下圖所示。

DS18B20測溫和學號顯示

6系統程序的設計

6.1主程序

主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量溫度值。溫度測量每1s進行一次。

主程序流程圖如圖4.1.1所示。

初始化調用顯示子程序1s到？YN初次上電？N讀出溫度值溫度計算處理顯示數據刷新Y發溫度轉換開始命令

主程序流程圖

6.2讀出溫度子程序

讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節。在讀出時須進行CRC校驗，校驗有錯時不進行溫度數據的改寫。

讀出溫度子程序流程圖如圖4.2所示。

發DS18B20復位信號發跳過ROM命令CRC校驗正確？發讀取溫度命令Y移入溫度暫存器讀取操作，CRC校驗YNN結束9字節完？

6.3溫度轉換命令子程序

溫度轉換命令子程序主要是發溫度轉換開始命令。當采用12位分辨率時，轉換時間大約為750ms。在本程序設計中，采用1s顯示程序延時法等待轉換的完成。溫度轉換命令子程序圖如圖4.3所示。

發DS18B20復位uml發跳過ROM命令發溫度轉換開始命令

結束

6.4計算溫度子程序

計算溫度子程序將RAM中讀取值進行BCD碼的轉換運算，并進行溫度值的正負判斷。

計算溫度子程序流程圖如圖4.4所示。

開始計算小數位溫度BCD值溫度零下？N計算整數位溫度BCD值Y置“+”標志溫度值補碼置“—”標志結束

6.5顯示數據刷新子程序

顯示數據刷新子程序主要是對顯示緩沖器中得顯示數據進行刷新操作，當最高數據顯示位為0時，將符號顯示位移入下一位。

顯示數據刷新子程序流程圖如圖4.5所示。設計總結

本設計利用89S51芯片控制溫度傳感器DS18B52，再輔之以部分外圍電路實現對環境溫度的控制，性能穩定，精度較高，而且擴展性很強。由于DS18B20支持單總線協議，我們可以將多個DS18B52并聯到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B52通信，占用較少的微處理器的端口就可以實現多點測溫監控系統。

我們在老師的指導下完成了基于DS18B20的數字溫度計的設計和制作。在進行實驗的過程中，我們了解并熟悉DS18B20、AT89C2051以及74LS244的工作原理和性能。并且通過溫度計的制作，我們將電子技能實訓課堂上學到的知識進行運用，并在實際操作中發現問題，解決問題，更加增加對知識的認識和理解。