双波长光纤高温测量仪的设计与无线数据传输的研究

论文摘要

在高温测量领域,目前使用的测温仪大多采用接触式测温方式,即温度敏感元件与被测对象直接接触,如目前世界上广泛采用的消耗型热电偶。该技术虽然已经十分成熟,但仍存在很多问题。如测温探头为一次性,测温费用较高；每次测量后必须更换探头,难以实现自动化；不能连续的高频率测温等。尤其在高温、高压、高磁场等极限测温环境下,感温元件甚至测量仪器都极易受到损坏和腐蚀。随着光纤传感技术的发展,光纤辐射测温技术得到迅速的发展,光纤式温度测量仪也开始得到实际应用。本课题研究的光纤高温测量仪(以测量钢水温度为例)为非接触式测温方式,极好的解决了上述问题,并且采用比色法,弥补了普通光纤温度计测温范围小、易受测温环境干扰、误差大等缺点。本文详细的阐述了辐射测温的基本原理,根据普朗克定律和维恩位移定律推导出了双波长比色法测温的理论公式,并分析了该方法的优点：该方法大大降低发射率对测温结果的影响。本文详细叙述了该光纤式高温测量仪各部分的构成原理及性能,并且进行了大量的相关实验。设计主要包括高温探头的设计研究、光电转换和电信号的放大、信号的处理及无线数据传输。具体的步骤是通过光纤探头提取光信号,经光电转换电路将光信号转换成电压信号,此电压信号随光辐射强度的大小改变来反映物体的实际温度。由于光电转换后的电压信号非常微弱,需要进行两级放大及滤波,从而达到数模转换的要求,然后送入单片机,本系统采用12位的A／D和D／A转换器,确保有足够的精度保障。在软件设计方面采用结构化程序设计方法,该仪器的软件系统全部采用C51编写,提高了程序的可读性和可移植性。系统软硬件分别调试通过后还进行了系统的联调,最后通过模拟实验验证了光强和电压之间近似线性的关系,同时分析了该仪器的测量精度及测量时存在的误差。此外,该仪器初步研制了数据无线传输功能,运用新技术小功率发射芯片nRF401,该芯片工作在433MHz的频率。用nRF401射频收发芯片设计的无线收发系统成本低,在短距离无线数据传输中有着广泛应用。用无线传输代替了原来的电缆传输,既经济方便又安全,还可以及时把测量数据传输到上位机进行存储,保存大量的数据以便日后查询。该光纤式高温测量仪在各个领域的应用都具有广阔的前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高温测量方法
• 1.2.1 接触式测温
• 1.2.2 非接触式测温
• 1.3 光纤温度传感器的研究现状
• 1.4 无线传输的优点
• 1.5 课题研究的主要内容
• 第2章 光纤测温的原理
• 2.1 概论
• 2.2 热辐射原理
• 2.2.1 辐射测温的基本原理
• 2.2.2 辐射测温的基本方法
• 第3章 测量仪的整体设计
• 3.1 系统硬件结构设计
• 3.2 光纤探头的设计
• 3.3 光纤耦合器
• 3.3.1 光纤耦合器的原理
• 3.3.2 光纤耦合器的性能
• 3.4 双波长测温仪中两波长的选取
• 3.4.1 第一波长的选取
• 3.4.2 第二波长的选取
• 3.5 窄带干涉滤光片
• 3.6 光电探测器及其转换电路
• 3.6.1 光电探测器的结构原理及性能
• 3.6.2 光电转换电路的设计
• 3.7 第一级放大电路的设计
• 3.8 有源滤波器的设计
• 3.8.1 工作频率的确定
• 3.8.2 集成运算放大器的选择
• 3.8.3 滤波电路的设计
• 3.9 第二级放大电路的设计
• 3.10 多路模拟开关设计
• 3.11 模数转换电路的设计
• 3.11.1 A/D转换器的选择
• 3.11.2 AD1674与单片机接口（单极性输入）
• 3.11.3 A/D转换程序设计
• 3.12 单片机与扩展存储电路的设计
• 3.12.1 单片机的选取
• 3.12.2 扩展存储电路的设计
• 3.13 数模转换电路的设计
• 第4章 无线数据传输
• 4.1 无线通信的原理
• 4.1.1 无线通信系统的组成
• 4.1.2 无线数据传输系统的技术分析
• 4.1.3 短距离无线通信技术
• 4.2 系统设计原则
• 4.3 系统的结构设计
• 4.3.1 无线射频收发芯片的选取
• 4.3.2 nRF401芯片内部结构及主要原理
• 4.4 NRF401应用电路设计
• 4.5 NRF401与单片机连接方式
• 4.6 NRF401的时序信息
• 4.7 串行通讯接口电路
• 4.8 无线传输程序设计
• 第5章 电路板制作调试及实验分析
• 5.1 系统的电路板制作
• 5.1.1 电路板的地线设计
• 5.1.2 电路板布线的要求
• 5.1.3 电路板尺寸与器件布置
• 5.2 系统的调试
• 5.2.1 硬件调试
• 5.2.2 软件调试
• 5.2.3 仿真调试
• 5.3 实验结果与实验分析
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢