反射式光纤温度传感器的研究

智能仪表与传感器 计算机测量与控制 . 2 010. 1 8( 9) �Computer Measurement & Control � �� 2201 � 中华测控 网 chinamca. com 收稿日期: 2010�02�26; � 修回日期: 2010�04�06。 基金项目:河北省秦皇岛市自然科学研究( 200901A042)。 作者简介:李艳萍( 1971� ) ,女,河北昌黎人, 硕士,讲师,主要从事于 检测技术方向的研究。 文章编号: 1671�4598( 2010) 09�2201�02 � � � � � � � 中图分类号: T M79 文献标识码: A 反射式光纤温度传感器的研究 李艳萍1 , 郭秀梅1 , 刘海涛2 , 王 � 建1, 马崇萧1 ( 1. 河北科技师范学院 机电工程学院, 河北 昌黎 � 066600; 2. 河北建材职业技术学院, 河北 秦皇岛 � 066000) 摘要: 在分析了半导体吸收光能原理的基础上提出了一种新型的光纤温度传感器; 它以半导体 GaAs作为温度敏感元件, 采用反射 式探头结构, 通过光纤传输, 实现了测量现场探头和二次仪表的隔离, 既避免了带电系统对探头中半导体器件的影响, 又避免了测量现 场高温工作环境对后续电子器件的影响; 通过设置参考通道来减少光源波动以及光纤连接损耗等因素的影响, 提高了测量精度; 实验证 明, 在 20~ 140 的测量范围内精确度可达 1 , 可用于电力系统的温度监测。 关键词: 光纤; 温度; 反射式; 电力系统 Study on Reflection Type Optical Fiber Temperature Sensor Li Yanping1 , Guo Xiumei1 , L iu Haitao2 , Wang Jian1 , M a Chongx iao1 ( 1. Mechanica l & Elect rical Eng ineering Co llege, H ebei Normal Univer sity of Science & Technolog y, Chang li� 066600, China; 2. H ebei Vocational & Technical Colleg e of Building Mater ials, Q inhuangdao � 066000, China) Abstract: On th e bas is of the an aly sis of the theory on semicondu ctor abs orbing light energy, a novel f iber- opt ic temper ature sen sor w as presented. A ref lected probe conf igurat ion w as designed , in w hich the semiconductor GaAs w as it s temperature- sen sing element . Th e system transm it tin g signals th rough the opt ical fib er k eeps the isolat ion betw een secondary inst rumentat ion and m easuring f ield, by w hich not only the influence of the charged system to th e sem iconductor device in the probe has been avoided, but als o the inf luen ce of the high- tem� peratu re measu ring f ield to the follow ing elect ronic device has been avoided. T he reference channel w as s et to reduce th e f lu ctuat ions in light source and optical f iber con nection los s and other factors . T w o exp eriments show that measu rement accu racy reach es 1 over a temperatur e range f rom 20 t o 150 . T he sy stem can be used to monitor th e temperatur e of the elect rical pow er sy stem. Key words: fiber- opt ic, t em perat ur e, reflection type, electrical pow er system 0 � 引言 在工农业生产、控制和生物医学、食品卫生领域中, 温度 是非常重要的物理参数, 所以温度的检测至关重要, 对于温度 检测技术的研究、开发和革新有迫切要求。而其中一些应用领 域将面临特殊的工作环境, 这就对于温度的测量可能造成一些 特殊的困难。比如电力系统的测温环境具有高电压、大电流、 强电磁干扰和空间狭小等特点, 这就要寻求可靠性高、绝缘性 好、抗电磁干扰性强、响应快、体积小的新型传感器。显然诸 如热电偶等具有电特性的温度传感器不再适用, 而基于光学原 理的温度传感器恰恰具有上述特点, 恰恰适用于电力系统的故 障检测。反射式光纤温度传感器通过光纤传输信号, 将带电的 二次仪表和测量现场隔离, 具有抗电磁干扰性强、绝缘性好、 结构简单、精度高、测温范围处于- 40~ 200 中, 正适合于 电力系统的电力设备以及线路测试范围[ 1�2]。 本文基于半导体吸收光能的原理, 提出了一种新颖的光纤 温度传感器的结构设计, 以半导体材料 GaAs 为温度敏感元 件, 采用反射式传感结构, 构成了探头, 光信号的输入和输出 采用同一根光纤来减小其它外界因素的干扰, 同时通过与设置 的参考通道进行比值运算来减少光源波动以及光纤连接损耗等 因素对系统的影响。 1 � 基本原理 光纤温度传感器利用半导体材料吸收光谱随温度变化的特 性来实现[ 3]。GaAs 的吸收系数为[4] : �= A (h�- Eg ( T ) ) 1/2 ( 1) 式中, A 为与电子和空穴有效质量有关的常数; h 为普朗克常 数; �为频率, h�! Eg ( T ) ; Eg ( T ) 为禁带宽度能量, 随温度变 化而变化。由式 ( 1) 可知, GaAs 的吸收系数随禁带宽度能 量的增加而减小。根据 Panish L� B� 的研究, 禁带宽度能量在 20~ 973K 温度范围内可以用一个简单的公式表示[ 5�7] : Eg ( T ) = Eg ( 0) - T 2!+ T ( 2) 式中, Eg ( 0) 为温度为 0K 时的禁带宽度能量 ( 1� 522eV ) ; 为经验常数 ( 5� 8 ∀ 10- 4 eV / K ) ; !为经验常数 ( 300K )。由式 ( 2) 可知, 禁带宽度能量 Eg ( K ) 随着温度的降低而增加。引 起吸收的波长[ 8�10] ∀g ( T ) = hC / Eg ( T ) ( 3) 式中, C 为光速。由式 ( 3) 可知, 当光通过半导体材料时, 材料会吸收光子能量, 当光子能量超过禁带宽度能量 Eg (K ) 时, 吸收光的波长随着禁带宽度能量 Eg ( K ) 的增加而向短波 长方向移动。综合以上 3 个式子, 当温度增加时, 半导体 GaAs 的禁带宽度能量 Eg ( K ) 减小, 吸收光的波长会向长波长 方向移动, 使透过的光能减小, 据此可以进行温度的测量, 透 过率函数随温度、波长变化关系如图 1 所示。 � � 2202 � � 计算机测量与控制 � 第 18卷 中华测 控网 chinamca. com 图 1 � 透过率函数图 2 � 关键技术 2� 1 � 反射式探头结构 传感器的探头采用 GaAs 晶体材料, 并且制成三角形棱 镜, 粘在输入和输出光纤的尾端。光源发出的光, 经过输入光 纤照射到温度敏感元件 GaAs 上, 在棱镜的竖直面主要发生透 射, 在两个斜面上发生全反射, 最后被输出光纤接收, 如图 2 所示。这样输出光纤接收到的光就是测量现场温度的函数。 图 2 � 探头结构图 2� 2 � 双探测器结构 反射式光纤温度传感器的原理如图 3 所示。从宽带光源 LED发出的光经光纤耦合器分成两路: 一路直接进入探测器 作为参考光; 另一路经过探头反射后回耦合器到达探测器作为 信号光。二者经光电探测器后将光信号转变成电信号, 再经前 置放大、滤波以后进行除法运算, 然后经过单片机系统进行数 据处理并进行显示和越限报警。设 P 为 LED光源耦合到光纤 的光功率, K 1、K 2、K 3、K 4 为各光纤与耦合器的耦合效率, L1、L 2 为探测器 PD1、PD2 的光电转换效率, N 1、N 2 为前置 放大滤波器的放大倍数, T 为探头透过率, 则: U = N 1 L1K 4K 3K 1TP N 2 L 2K 2K 1P = N 1 L1K 4K 3 N 2 L 2K 2 T 图 3 � 光纤温度传感器原理图 由于两个探测器、前置放大器、低通滤波器采用对称结构, 所以 L1= L2、N1 = N2 , 结合 ( 1)、 ( 2) 两式, 有 U = K4K 3K2 T = K 4K 3 K 2 (1 - R) 2 e- �l = K 4K 3 K 2 (1 - R) 2 exp(- 2A / [ hv - Eg (0) + T 2!+ T ] 0. 5) 式中, R为 GaAs 的反射率。由上式可以看出: 除法器 输出电压是温度的函数, 与光源的波动无关, 所以通过参考通道 的设置, 克服了光源波动以及光纤连接损耗对传感器的影响。同 时信号光穿过反射式探头时行程是透射式探头的 2 倍, 接收光纤 收到的光减小了, 传感器的灵敏度相对于透射式探头提高了。 3 � 实验结果及分析 在室温 20 , 将传感器的探头和热电偶的探头同时放到 变温箱里, 一边加热一边读出热电偶温度计显示的的温度值和 滤波器输出的电压值, 根据测量值用 Matlab 画出曲线如图 4 所示; 在加热的同时读出温度值和除法器输出的值, 根据测量 值用 Matlab 画出曲线如图 5 所示。 图 4 � 补偿前输出电压与温度 关系曲线图 图 5 � 补偿后系统输出量与温度 关系曲线图 将图 4 和图 5 进行比较可以看出, 加入了参考通道后, 曲线的 线性度改善了, 基本近似于一条直线, 而且在高温区也没发生 较明显的异变。可见, 系统采用双探测器的补偿 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 大大改善 了传感器的抗干扰能力, 使得测量精度提高。 4 � 结论 利用半导体材料对光的吸收作用, 成功地实现对温度的测 量, 该系统由光源、光纤、GaAs 棱镜、光电探测器、前置放 大滤波电路、单片机系统组成 , 该系统采用反射式探头结构并 且构建了补偿通路, 提高了测量精度, 实现了在 20~ 140 的 宽温度范围内精确度可达 1 。通过光纤传输 , 实现了测量现 场探头和二次仪表的隔离, 既避免了带电系统对探头中半导体 器件的影响, 又避免了测量现场高温工作环境对后续电子器件 的影响, 所以该系统具有抗电磁干扰性强、绝缘性好、结构简 单及精度高的特点, 可用于电力系统的电力设备和线路的温度 测量, 还可用来对工业生产过程进行监视和控制。 参考文献: [ 1] 郭培源. 光电检测技术与应用 [ M ] . 北京: 北京航空航天大学出 版社. 2006. 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(下转第 2206页) � � 2206 � � 计算机测量与控制 � 第 18卷 中华测 控网 chinamca. com 采集到的数据, 既没有影响到操作系统的正常运行, 又克服了 因磁盘阵列瞬时写速度的不稳定性造成的数据丢失问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 在连续写磁盘阵列时, 单文件记录和多文件记录的结果是 不一样的。单文件记录就是在驱动初始化时, 预先只创建一个 文件, 之后存储数据过程中该文件将不断增大。图 6 为多次单 文件记录中, 数据开始丢帧时记录文件的大小, 可以发现每当 文件存储到 50GB 左右就出现数据丢失的情况。 图 6 � 单文件存储性能测试 为了克服单文件存储性能受限的状况, 采用多文件记录方 式, 具体策略是: 在驱动初始化时, 预先创建 16 个文件, 每 个文件限制大小为 45G , 当一个文件写满就跳到下一个文件。 为了与单文件记录的性能进行比较, 设计测试方案为: 存储数 据总量 320GB, 每写入 40GB计算一次平均写盘速率, 模拟采 集卡输出数据速率 320MB/ s。测试结果如图 7 所示, 显然选 用多文件记录方式更有利于记录仪整体性能的提升。 图 7� 不同文件记录方式存储性能比较 5 � 记录仪的性能测试 光纤数据记录仪最重要的性能就是连续记录时间或者连续 记录容量。对这一性能的测试, 分以下两个阶段进行。 ( 1) 采集卡不接光纤, 由 FPGA 产生 64bits ∀ 40MH z= 320MB/ s 速率的模拟光纤数据, 为便于测试, 数据每 256k 字 节递加 1。DM A 每次传输 256k 字节, 驱动每收到采集卡一次 中断就将缓存区内的 256k 字节数据写入磁盘阵列, 采用多文 件记录方式, 每个文件大小为 45GB。记录结果为: 前 15 个记 录文件完整无误, 第 16 个文件从 13� 4GB 处开始丢帧。也就 是完整记录容量共计 688� 4GB, 连续记录时间为 37� 6 分钟。 ( 2) 采集卡接入实际 2� 5Gbps 光纤信号, 当得到上位机 记录命令时, FPGA 先进行帧同步, 然后再从 STM - 16 帧的 第一个 A1 字节开始采集上传。为便于观察记录结果 , 将阶 段一的采集存储方式略加修改, 即多文件存储中, 每个文件 的大小限定不超过 45GB 且为 STM- 16 帧的整数倍。这样在 数据记录结束浏览记录文件时, 将数据显示方式设置为每行 270∀ 9 ∀ 16= 38, 880 字节, 只需判断文件的起始几列数据 是否为 STM- 16 帧的起始数据即可断定记录中有无数据丢 失现象。因为每次 DM A 传输的数据量是 256k 字节, 256 ∀ 1024 与 38, 880 互质 , 只要有 DMA 传输丢帧, 所记录的文 件就会有非常明显的对不齐现象。测试结果为 : 前 15 个记录 文件完整无误 , 第 16 个文件从 31� 7GB 处开始丢帧。也就是 完整记录容量共计 706� 7GB, 连续记录时间为 39� 7 分钟。 6 � 结束语 本文设计并研制了一台基于 PCIe 总线的高速海量光纤数 据记录仪。在深入研究采集与存储机制的基础上, 对记录仪的 硬件结构、应用软件和驱动程序进行了详细设计。实验测试表 明该记录仪可对 2� 5Gbps 的光纤数据连续记录 40 分钟, 在高 速采集领域具有非常广阔的应用前景。 记录仪本身还具有一定的升级扩展能力, 如还可以在采集 卡的 FPGA 中增加信号预处理的功能; 通过增加 SCSI硬盘记 录时间还可以更长; 通过更换可插拔光电模块并稍加修改 FP� GA 程序, 仪器还可以记录其它速率等级的光 纤信号 ( 155Mbps、622Mbps、1Gbps 等)。另外, 通过更换前端信号 的接入部分, 本文所研究的采集存储机制和部分硬件结构的设 计思路也可以应用到其它高速数据记录领域, 如雷达、声纳和 地震测量等。 参考文献: [ 1] 张 � 宁, 纪越峰. 光纤技术的发展及其在光通信中的应用 [ J] . 光 纤与电缆及其应用技术, 2004, ( 3) : 1�6. 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