无线数据传输双波长光纤高温测量仪的研究

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,该仪器的软件系统采用C语言和C51编写。本系统初步研制了数据无线传输功能,采用nordic生产的单片无线收/发芯片nRF401,实现数据和命令的无线传输。C语言编写通信协议,实现错误检验、纠正和出错重传,从而达到整个无线传输过程的稳定。无线发送和接收功能可以由发送和接收按钮控制,也可通过上位机程序远程控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤温度传感器的研究现状
• 1.3 无线传输的优点
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第2章 光纤测温及无线传输原理
• 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
• 2.2.2.1 全辐射式测温
• 2.2.2.2 亮度测温（单色辐射测温）
• 2.2.2.3 双波长辐射测温（比色测温）
• 2.2.2.4 多波长辐射测温
• 2.3 无线传输高精度测温系统基本原理
• 第3章 光纤辐射温度测量仪系统的设计
• 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
• 3.3.2.1 分光比
• 3.3.2.2 附加损耗
• 3.3.2.3 波长特性
• 3.3.2.4 温度特性
• 3.4 窄带干涉滤光片
• 3.5 光电探测器及其转换电路
• 3.5.1 光电探测器的结构原理及性能
• 3.5.2 光电转换电路的设计
• 3.6 有源滤波器的设计
• 3.6.1 工作频率的确定
• 3.6.2 集成运算放大器的选择
• 3.6.3 滤波电路的设计
• 3.7 第二级放大电路的设计
• 3.8 多路模拟开关设计
• 3.9 模数转换电路的设计
• 3.9.1 A/D转换器的选择
• 3.9.2 AD1674与单片机接口（单极性输入）
• 3.9.3 A/D转换程序设计
• 3.10 单片机与扩展存储电路的设计
• 3.10.1 单片机的选取
• 3.10.2 扩展存储电路的设计
• 3.10.2.1 程序存储器扩展
• 3.10.2.2 数据存储器扩展
• 3.11 数模转换电路的设计
• 第4章 无线传输及无线通信协议的编写
• 4.1 无线射频收发芯片的选型与设计
• 4.1.1 nRF401芯片介绍
• 4.1.2 nRF401的内部主要结构及工作原理
• 4.2 nRF401电路应用设计
• 4.3 串行通讯接口电路
• 4.4 通信信道
• 4.5 数据传输协议
• 4.6 通信协议的编写
• 第5章 系统的软件设计
• 5.1 系统软件设计概述
• 5.1.1 系统软件设计的总体框架
• 5.1.2 数据采集子程序设计
• 5.2 系统软件抗干扰的设计
• 5.2.1 输入通道的软件抗干扰设计
• 5.2.2 程序执行过程中的软件抗干设计
• 5.2.3 数字滤波软件的设计
• 第6章 电路板制作调试及实验分析
• 6.1 系统的电路板制作
• 6.1.1 电路板的地线设计
• 6.1.2 电路板布线的要求
• 6.1.3 电路板尺寸与器件布置
• 6.2 系统的调试
• 6.2.1 硬件调试
• 6.2.2 软件调试
• 6.2.3 仿真调试
• 6.3 实验结果与实验分析
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢