1、學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計（論文）光纖輻射式多路溫度巡回檢測儀學(xué)生姓名：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師：孟潔所在學(xué)院：所在學(xué)院：信息技術(shù)學(xué)院專專 業(yè)：業(yè)：電氣工程及其自動化中國大慶2011 年 12 月黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書本科畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)生姓名楊璐所在班級電氣 09（2 班）導(dǎo)師姓名孟潔導(dǎo)師職稱講師論文題目光纖輻射式多路溫度巡回檢測儀題目分類1應(yīng)用與非應(yīng)用類：工程 科研 教學(xué)建設(shè) 理論分析模擬2軟件與軟硬結(jié)合類：軟件硬件軟硬結(jié)合非軟硬件（1、2 類中必須各選一項適合自己題目的類型在內(nèi)打）主要研究內(nèi)容及指標(biāo)： 研制的光纖輻射式溫度多路巡回檢測儀能在上述條

2、件下實現(xiàn)高精度的溫度測量。測量范圍為 300850和 8001600,分辨率為 1。此種溫度測量儀具有靈敏度高、響應(yīng)快、非接觸、不影響被測溫場、工作溫區(qū)大、操作方便等特點。可廣泛地應(yīng)用于科學(xué)天空和生產(chǎn)現(xiàn)場。主要參考文獻(xiàn)：1蘇鐵力,關(guān)振海,孫立紅等,傳感器及其接口技術(shù)。1998276284。2劉瑞復(fù),史錦珊,光張傳感器及其衣用。機械工業(yè)出版社。198742603JanSoderkvistMicromachincd GyrosoopesSensors and Actuators,1994,A43:6572 階段規(guī)劃：調(diào)查研究與資料收集,提出總體方案;完成畢業(yè)設(shè)計并進(jìn)行答辯。開題時間2011 年 1

3、2 月完成論文時間2011 年 12 月 14 日 專家審定意見：系主任簽字：年 月 日注：1任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫后交給學(xué)生，要求學(xué)生妥善保存。2此任務(wù)書夾于論文扉頁與論文一并裝訂，作為論文評分依據(jù)之。ABSTRACT摘要研制了一種利用光纖輻射式傳感器的溫度測量儀,可在線監(jiān)測 14 路溫度。本文在分析溫度測量的原理和精度基礎(chǔ)上,給出實驗結(jié)果。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:光纖輻射溫度多路巡回ABSTRACTIABSTRACTFor Multi-channel Itinerary Temperature MeasurementWANG YutianZHANG LiguoHOU Peiguo(Yanshan Un

4、iversity, Qinhuangdao 0066004)Abstract:Based on the optical fiber radiation principle, this paper presented a new temperaturemeasurement instrument which realized on-line temperature monitoring for 14 channelsThroughthe analysis of temperature measurement range and precision, this paper also showed

5、the experimentresults.Keywords:Optical fiber radiation, temperature, multi-channel itinerary.目錄II目錄摘要摘要.IIIIABSABST TRACTRACT.IIIIII目錄目錄.IVIV前前言言.V V1 1 緒論緒論 傳感器工作原理傳感器工作原理.1 12 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 .2 221光纖探頭及前置器 .2211光纖探頭.2212前置器.222二次儀表 .33 3實驗及結(jié)果實驗及結(jié)果.5 5結(jié)論結(jié)論.6 6參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).7 7附錄附錄.1 1前言前言公稱中,對中高頻加熱的溫度測量

6、、腐蝕性強、濃煙多霧環(huán)節(jié)的高溫測量、高熔爐、不均勻分布的溫度測量以及遠(yuǎn)距離電絕緣傳輸?shù)鹊?常規(guī)的儀器諸如熱電偶、常規(guī)紅外輻射儀等都不能很好地滿足特殊測量的要求。本文研制的光纖輻射式溫度多路巡回檢測儀能在上述條件下實現(xiàn)高精度的溫度測量。測量范圍為 300850和 8001600,分辨率為 1。此種溫度測量儀具有靈敏度高、響應(yīng)快、非接觸、不影響被測溫場、工作溫區(qū)大、操作方便等特點。可廣泛地應(yīng)用于科學(xué)天空和生產(chǎn)現(xiàn)場。傳感器原理及工程應(yīng)用論文01 緒論 傳感器工作原理輻射測溫的原理是基于黑體輻射的普朗克(Plank)定理。物體和溫度高于絕對溫度(T0K)時,向外發(fā)出輻射,輻射能力的大小與物體的溫度 T

7、、物體材料的輻射系數(shù) 有關(guān)。普朗克定律給出了黑體輻射出射度 WO(,T)、波長 和溫度 T關(guān)系:WO(,T) = C1-5(ec2/T-1) (1)式中WO(, T)“黑體”發(fā)射的光譜輻射通量密度,單位為 Wcm-2m-1光譜輻射的波長,單位為 mT“黑體”絕對溫度C1第一輻射常數(shù),C1=37410-2WCm-2m-1C2第二輻射常數(shù),C2=144cmK在自然界中一般物體的輻射能力都比理想“黑體”小,其光譜輻射能量表達(dá)式為:W(, T) =C1-5(ec1/T-1) (2)式中ET物體發(fā)射的光譜輻射通量密度;物體的光譜發(fā)射率,0 1 根據(jù)(1)和(2)的普朗克定律,可有三種輻射溫度測量方法以及

8、三種測量儀器,即比色式、全輻射式和單色輻射式(亮度式)。單色輻射溫度測量(亮度式溫度測量)即本文所采用的輻射溫度測量方法的原理是:選定某一波長,則被測物體的輻出度僅是溫度的單值函數(shù),只要測出某一波長 下的輻出度,就可確定該物體的高度溫度。在被測溫度與波長范圍內(nèi),單色輻射溫度用維恩公式表示,則式(1)為:1TL=-C1In(E0(,T)C1-5) (3) 1T=-C1In(E0(,T)C1-5) (4)式中TL亮度溫度;輻射系數(shù)同上述兩式可以得到1T=1TL-C1In1(5)公式(5)通過 和 把被測物體的實際溫度 T 和與它的單色輻射測量溫度 TL 聯(lián)系起來。實際測溫中,被測物體的實際溫度總是

9、定值,因而單色輻射溫度的值與所選取的波長值有關(guān),只要波長一定,則同一熱輻射只能對應(yīng)一個單色輻射溫度值。傳感器原理及工程應(yīng)用論文12 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計光纖輻射式多路溫度巡回監(jiān)測儀由光纖探頭、前置器、信號處理與顯示的二次儀表組成,結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。21光纖探頭及前置器211光纖探頭光纖探頭由光纖與物鏡等組成,按照一定的視場范圍和角度接收被測目標(biāo)的輻射通量,并會聚耦合進(jìn)光纖,以完成被測物體輻射光線的采集和傳輸。溫度測量的光路 器的腔體機械結(jié)構(gòu)與光電管元件是保證系統(tǒng)可靠性與精度的主要因素。光纖傳輸系統(tǒng)的參數(shù)是保證儀表性能指標(biāo)的重要參數(shù)。光纖的數(shù)值孔徑為:NA = n0sin a = n0n21- n22

10、(6)本儀器采用的是多模玻璃光纖束。所用光纖的基本參數(shù)為:n1=158,n2=15,則sina =056(a =34,=60,NA =056)為了提高對溫度信號的靈敏度,探頭采用透鏡耦合方法。212前置器前置器包括濾光片、光電探測器及轉(zhuǎn)換電路、有源低通濾波器等各部分。光纖探頭收集到的熱輻射信號經(jīng)光纖傳輸至前置器,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘枴Ｇ爸闷餍阅艿暮脡闹苯佑绊懙絻x表的測量精度與抗干擾能力。為了保證光電探測器所探測到的為單一波長的輻射光,在光電探測器前端設(shè)置一窄帶濾光片,濾除其它波長的輻射和背景干擾輻射。濾光片的中心波長為我們所選用的測量波長。其半波帶的選原則:在保證測量靈敏度的前提下,選取盡量小

11、的帶寬度,以保證其測量的準(zhǔn)確傳感器原理及工程應(yīng)用論文2度。中溫通道干涉濾光片的參數(shù):=15m,=250nm,最大透過率為:T=70%高溫通道干涉濾光片的參數(shù):=09m,=200nm,最大透過率為:T=70%選用的光電探測器是 PIN-PD,與前置放大器構(gòu)成一個組件,使其抗干擾性能提高,同時抗環(huán)境溫度變化的能力提高。由光電探測器與前置放大器噪聲分析確定采用的前置放大器的形式。從其噪聲分析得知,它們存在著與探測信號相比不可忽視的噪聲,并且這些噪聲處于信號的前級,它對整個儀器的信噪比的改善起著決定性的作用。為此,我們在前置放大器之后接一個三圖 2低通濾波器原理簡圖階低通濾波器,用于濾除信號中的高頻噪

12、聲。電路結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。當(dāng)選取 R1= R2= R3= R、C1= C2= C3= C 時,可求出此濾波電路的傳遞函數(shù)為H(S) =V0(S)Vi(s)=1(RC)3S3+2(RC)2S2+2RCs+1(7)此三階有源濾波器為巴特沃思濾波器。經(jīng)實際測量,加入此濾波器后其輸出信號中的噪聲干擾和紋波基本被抑制,使儀器的穩(wěn)定性得到很大的改善。22二次儀表二次儀表的作用是對前置輸出的電壓進(jìn)行線性化處理,并對儀表的量程、靈敏度進(jìn)行調(diào)制,對發(fā)射率進(jìn)行修正。然后送入溫度顯示、輸出控制、標(biāo)準(zhǔn)電流輸出等單元進(jìn)行溫度顯示、控制及遠(yuǎn)傳。為了避免長線傳輸所產(chǎn)生的干擾影響儀表的測量精度及穩(wěn)定性,在二次儀表的輸入端加

13、入一 形無源低通濾波器。同時在對數(shù)放大器之前設(shè)置了一級放大器,用于進(jìn)行零點調(diào)整及阻抗變換。其零點直接影響著對數(shù)放大輸出信號的線性的好壞。二次儀表的結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。傳感器原理及工程應(yīng)用論文3傳感器原理及工程應(yīng)用論文43實驗及結(jié)果光纖輻射式多路溫度巡回監(jiān)測儀具有非接觸測溫的特性以及響應(yīng)快等優(yōu)點。儀器的性能指標(biāo)是在電加熱的鍍黑矽炭棒上以測量其溫度完成的。測量結(jié)果如表 1 和表 2 所示。表中的標(biāo)準(zhǔn)溫度是通過二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠-鉑熱電偶與 612 位數(shù)字電壓表測取的。由實際測量得到其測量誤差在1%以內(nèi)。示值的最大穩(wěn)定性分別設(shè)定在 500和1000,在 6 小時之內(nèi)監(jiān)測儀表的顯示值,其最大偏差分別為 2和 3。儀表對兩次升溫的輻射溫度進(jìn)行測試。中溫測試范圍為 350800,相同測點的最大差值3;高溫測試范圍為 9001500。相同點測試的最大差值4。結(jié)論5結(jié)論本文研制的儀器從測試現(xiàn)場到光電轉(zhuǎn)換部分同光纜作為信號傳輸通道,因此具有高度電絕緣性,由于儀表的特殊結(jié)構(gòu),可運用在強化學(xué)腐蝕的生產(chǎn)線上;模擬和數(shù)字輸出中實現(xiàn)了高靈敏度,性能穩(wěn)定,測量范圍大,精度高。參考文獻(xiàn)6參考文獻(xiàn)1蘇鐵力,關(guān)振海,孫立紅等,傳感器及其接口技術(shù)。1998276284。2劉瑞復(fù),史錦珊,光張傳感器及其衣用。機械工業(yè)出版社。198742603JanS