温度传感技术（共11篇）
温度传感技术 篇1
温度监测方法通常分为非接触式测温法和接触式测温法两大类。非接触式测温法的特点是感温元件不与被测对象相接触, 通过辐射进行热交换, 由于受物体的发射率、被测对象到仪表间的距离及烟尘、水汽等其他介质的影响, 这种测温方法一般误差较大。接触式测温法是测温元件直接与被测对象接触, 两者间进行充分的热交换, 最后达到热平衡, 用感温元件的某一物理参数的量值表征被测对象的温度值, 其特点是直观可靠, 测量范围广, 测量精度相对较高。
分布式光纤测温技术是接触式测温法的一种。光纤内传送的是光信号, 有良好的抗射频干扰和抗电磁干扰的特点, 耐高电压和强电磁场, 耐电离辐射, 并且光缆还具有阻燃、防爆、耐腐蚀等优点, 即使在比较恶劣的有害环境中也能对被测对象的温度进行实时检测, 监测其变化。对于温度异常的位置能及时发现, 并给出准确的报警。
1 光纤温度传感系统工作原理
分布式光纤温度传感是一种用于实时测量空间温度场分布的新技术, 对光纤沿线地点的温度进行分布连续检测, 以光纤作为温度传感器, 依据光纤的光时域反射 (OTDR:Optical Time Domain Reflectometry) 原理以及光纤的背向拉曼散射 (Raman Scattering) 温度效应。在光纤中, 光信号传输到光纤内的任意位置, 都会产生拉曼散射光。拉曼散射光在光纤内的整个空间角内是均匀分布的, 其中一部分拉曼散射光会沿光纤传送路径向光源处传播, 称为背向拉曼散射光。光探测单元接收并分别滤出Anti-Stokes光和Stokes光, 只要计算出这两种光的强度比, 就可以计算出反射点的温度。
分布式光纤温度传感系统由脉冲激光器、滤波器件、多通道切换设备、高速数据处理单元、高速数据采集系统和光电转换电路等组成, 如图1所示。激光脉冲信号经由耦合器射入用作传感回路的光纤通道, 采集由光纤通道传送回的背向散射光波, 并对光波用波长进行区别, 将光波分为分成斯托克斯通道和反斯托克斯通道。对于由高灵敏、低噪声硅雪崩二极管组件组成的光电检测装置放置于低温恒温槽, 以使雪崩二极管组件能稳定工作。温度信号的解调和信号处理、显示主要计算机进行处理。
2 系统结构
分布式光纤测温系统主要由DTS测温主机、网络交换机、CSM状态监测主机、测温光缆、客户终端等设备组成, 如图2所示。
测温光缆将监测信号传送至DTS测温主机, DTS测温主机对测温光缆传回的温度信号及火灾信息进行滤波、光电转换、放大、模数转换后, 通过以太网交换机送至CSM主机。CSM主机通过采集温度数据, 绘制显示温度图表, 并将相应数据通过以太网送至客户终端。
1) 测温光缆
测温光缆固定在待监测电缆回路上, 在电缆中间接头采取加强敷设来实现对电缆接头的重点监控。
测温光缆根据安装方式的不同, 可分为外置式光纤测温系统和内置式光纤测温系统。外置式光纤测温系统在进行光缆敷设时, 将光缆敷设在电力电缆外护套之外。内置式光纤测温系统在进行探测光缆敷时, 将光缆敷设在电力电缆内部的金属护套和绝缘屏蔽层之间。探测光缆的外置式敷设和内置式敷设各有特点, 应根据实际需要进行选择。
2) DST测温主机
DTS测温主机具有监测距离远, 监测通道多, 定位准确, 温度分辨率高, 测量时间短等特点。DTS测温主机通常安装在监控室内, 与测温光缆相连, 实现对电力电缆表面温度信息的采集、处理, 输出温度报警信息等功能, 如图3所示。
3) CSM主机
CSM主机通常安装在中央控制室或者监控室内, 其与DTS测温主机之间的通讯, 可以通过以太网或modbus总线等, 并通过以太网与外部网络进行通信。CSM主机主要功能是实现对DTS测温主机参数设置, 如通道选择、监测区域划分、报警参数设置、通信参数设置等;采集和显示电缆表面的温度数据和温度曲线;计算电缆导体温度数据, 并显示温度数据和温度曲线;实现对被测电缆布局的组态;输出多级报警等。
3 结束语
由于测温光纤具有无电磁干扰、抗干扰能力强、阻燃、防爆、耐腐蚀、能在有害环境中安全运行、具有本征安全、测量距离远、测量精度高、定位快速准确等特点, 能够对温度进行实时监测, 并将测量结果快速准确传送到监控端, 对发现温度异常点, 预防故障发生, 准确定位故障发生位置, 保障系统安全正常运行有着重要作用。
参考文献
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温度传感技术 篇2
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2．电路图
3．进气压力传感器测试 3.1.将诊断仪连接到诊断接口上。将点火开关转到
ON
位。
3.2.利用诊断仪读取进气压力值。
标准值：101 kPa（高原地区需与当地大气压力数值相符）3.3.如果读数与标准值偏差过大，则更换进气压力传感器。
3.4.起动发动机，运转至水温
度，利用诊断仪读取压力值。
标准值：40±10 kPa 3.5.压变力，读则数更应换有传微感小器的。变（化此，判如定果基读于数其与他标零准件值及偏线差束过都大工或作压正力常值的固条定件某下一。定）值不
4．进气温度传感器测试 4.1.环境的用温故度障。诊如断不仪符在合不要着求车，的进情行况下一，步读。进气温度的数值应符合进气温度传感器所处
4.2.将进气温度传感器从发动机上拆下。
电喷系统零部件随车检测程序
4.3.利用数字万用表的欧姆档检查进气温度传感器的阻值。
传感器28086011标准值： º
温度传感技术 篇3
关键词：控温仪表；温度传感元件；热电阻；温度补偿；环境温度 文献标识码：A
中图分类号：TP216 文章编号：1009-2374（2015）18-0085-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.044
控温仪表是一种控制温度的智能温度控制仪表，它采用了全数字化集成设计，具有多重PID调节、输出功率限幅曲线编程、实时数据查询等功能。控温仪表主要是通过温度传感器对环境温度自动进行采样、及时监控，当环境温度比控制设定值高时就会控制电路启动。
1 控温仪的简介
1.1 控温仪表的组成与工作原理
控温仪表对于许多工程都有着极大的作用，而下面将简单介绍控温仪表的组成。该系统主要是由恒温箱系统以及压力测量系统两大部分组成的，而恒温箱也包括许多部分。恒温系统包括电热系统、制冷系统、恒温工作区域、温度精密控制系统、冷热量混合交换机循环系统、保温系统、观察窗系统等，其中主要的就是制冷系统。它主要的作用就是降温，采用的是制冷量两档可调的复叠式机械制冷系统，还有主要的就是温度控制系统。温度系统包括电热温度控制部分和制冷温度控制部分。而对于压力测量系统来说，既然是压力测量，就必须有压力测量标准系统和被测压力仪表系统。除此之外，还有精密压力源、压力管路以及相关的压力阀门等。整个控温仪表的工作原理相对复杂些，其主要是根据热电阻的热效应，它是电阻测量温度的主要原因，会随着温度的变化而变化，因此只要测量出电阻就可以直接看出温度的变化。
1.2 控温仪表发生故障的原因
控溫仪表有的时候会出现故障，而导致其出现故障的原因有很多。有时候仪表各个系统的错误就会导致整个控温仪表的错误，有的时候利用曲线分析温控仪表会出现问题从而导致整个数据错误。记录曲线就是在控温仪表的工作过程中会记录温度变化的曲线。但是有的时候记录曲线出现问题，从而导致曲线变为直线变化甚至没有任何的变化，还有就是仪表所显示的温度不合理。一般来说，测温仪的上区升温要比其下区升温慢得多，但是由于一系列故障会导致结果恰恰相反。还有许多的突发情况导致控温仪表发生故障。比如控温仪的指针突然不动了，就会使测出的温度不准确，出现误差。有的控温仪表是有一定温度限制的，如果所测量的事物的温度高出或者低于控温仪表的范围的话，控温仪的指针就不能达到其真实的温度，甚至会烧坏热电阻丝。热电阻温度也会产生误差。一般热电阻是线性的，这样测量的温度更加准确，但是如果测量的温度值不在规定范围内就会出现非线性的问题，这样测量得就不够精确。在控温仪的工作工程中，热电阻的引线一直会处于被测温度的环境之中，从而导致其受到的波动较大，最终精确度出现问题，严重影响了控温仪表的工作与精确度。
1.3 热电阻的主要种类
控温仪表的主要部分就是热电阻。热电阻的质量决定了控温仪表的精密度。热电阻分为很多类：普通型热电阻，即通过热电阻组织的变化来直接测量温度的变化；铠装热电阻，它主要就是由感温元件、引线、不锈钢套管等组合而成的坚实体，体积更小，性能更好；断面热电阻，主要是由特殊处理的电阻丝缠绕制成，然后贴在温度计的端面，能够快速地测量出被测事物端面的实际真实温度；隔爆型热电阻，它的接线盒非常特殊，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。
2 对控温仪表的温度补偿
2.1 如何防治控温仪表的故障
对于控温仪表的故障一定要及时修护，以保证其正常运行。最主要的就是加强控温仪表的修护。对于控温仪表，要对其进行定期修护。对于记录曲线的故障，要检查其参数是否有误差，如果没有的话，再继续检查控温仪表的系统，直到找到出现问题的原因。对于仪表显示温度的异常问题，工作人员首先要检查上区控温仪，检测是否是由于上区仪表故障导致升温变快；如果上区一切正常，那么一定是由于下区控温仪升温太慢造成的，需要对测量下区温度的热电偶进行检查，可能是由于热电偶在使用时未加保护套管，直接使用其热电偶芯子以致使热电偶在接近根部处与电阻炉电源接线柱保护罩相碰，造成短路。除此之外，在购买控温仪表的方面要做好监督与质量的检测。要杜绝企业为了追求利益而向机器厂购买质量不好的控温仪表，这样既浪费了资源，还可能在工作过程中出现危险。
2.2 弥补仪表的温度趋向
如果控温仪表的温度传感热电阻是非线性的话，就会对控温仪表的精确度产生非常严重的影响，因此，相关工作人员要尽量弥补控温仪表的温度趋向。如果热电阻是非线性的，绘制的图样就是曲线，但是可以通过制热电阻温度采样的区间的割线来近似代替电阻与温度的曲线，如果要追求更高的精确度的话可以采用以下办法：可以在桥路中对非线性的热电阻进行非线性补偿。计算供给测量桥路的直流稳压电源大多是在5～6V的电压条件下工作，但是实际上的工作电压由于一系列原因不一定是5V的，这样的话就需要在实际的测量过程中尽量弥补控温仪表温度传感元件的热电阻温度，对于桥路进行调整以保证仪表在测量过程中的电阻与放大器输出的电压在规定的范围内，从而减小误差，弥补控温仪表的温度趋向。这种方法虽然比较复杂，但是改正后大大地提高了控温仪表的精确度。除此之外，还可以使用改进型使用有源电桥，这样的话也可以弥补控温仪表传感元件热电阻温度，减少测量误差。
2.3 加强专业工作人员的素质
由于技术人员的专业水平有所差异，因此，控温仪表在操作时会出现许多突发问题。因此，相关部门要多引进一些专业素质强的工作人员，相关企业应该注重人才的培养和引进。还有就是现在的控温仪表也会涉及到计算机技术和一些网络技术等高级的技术，使它更向信息化发展，相关企业还应该培养一些专门型人才，使人才利用率更高，建立高素质、高专业的人才团队来减少控温仪表在使用过程中所产生的问题。
3 结语
现在发现的控温仪表的传感元件的温度补偿方面的问题就有许多原因，但是在相关人员的研究下也都有了解决办法，相信在以后人们会对控温仪表的传感元件的温度补偿方面有更好的方法进行完善。
参考文献
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作者简介：范玲（1973-），女，黑龙江依安人，东北轻合金有限责任公司工程师，研究方向：仪表。
温度无线传感技术的研究与实现 篇4
多点无线温度测量系统以AT89S52 为核心, 采用数字式温度传感器DS18B20, 应用传感技术、无线收发技术及计算机技术, 实现多点温度数据的采集和短距离无线传输。系统结构采用模块化设计, 主要由三大部分构成:第一部分为系统的温度数据采集部分, 多片单总线温度传感器DS18B20 组成温度采集网络, 完成多点温度数据的采集;第二部分为温度数据的处理与显示部分, 完成温度数据的转换和在数码管上的显示;第三部分为系统的发射端, 由芯片CD40106辅助TX315A完成数据无线的发射功能。该温度测量系统电路简单, 性能稳定, 抗干扰能力强, 可靠性高, 搭建方便, 易于扩展, 实际发射距离约50m, 因此本系统适用于在短距离对多种环境温度的监测, 有广阔的应用前景[1]。
2 系统的硬件电路的搭建
由于斯迈特计算机厂生产的单片机在线系统AY-MPU89S52E设置有专门的DS18B20 芯片引脚插孔, 所以可将DS18B20 通过插座直接插在插孔上。为使DS18B20 在动态转换周期中获得足够的电流供应, 当进行温度转换或拷贝到E2存储器操作时, 给I/O线提供一个强上拉。用MOSFET把I/O线直接拉到电源上就可以实现。所以在DS18B20 的VCC与DQ引脚之间焊接一个4.7KΩ的电阻;因为DQ引脚对应着P1.0, 所以将P1.0 对应的跳线器置于下方。随后完成了TX315A的连接, 为了防止元器件连接到扩展板时电压有所衰减, 导致给发射器提供的电压不足, 引入了CD40106BE芯片, 该芯片为CMOS电路构成的施密特触发器, 主要用于信号电路的整形。整个电路集成了6 个施密特触发器, 每个施密特触发器为反相输出结构, 本电路用其中两个施密特触发器构成同相电路, 用以提高单片机串行接口的信号输出能力。本集成电路芯片共有14 个引脚, 引脚1 与P3.1 相连 (P3.1 位串行通信信号输出端) , 引脚2 与引脚3 相连, 引脚4 与TX315A信号输入端相连, 引脚5, 7, 9, 11, 13 都与GND相连。TX315A的引脚1 与VCC相连, 引脚2 与GND相连, 引脚3与CD40106BE芯片的引脚4相连。
3 汇编程序设计
硬件电路搭建完成后, 进行了汇编程序的编写。为了组装调试方便, 将一个全部的汇编程序分成4部分: (1) DS18B20 的温度读取模块; (2) 温度转换处理模块; (3) 温度在数码管上的显示模块; (4) 单片机与单片机之间的串行通信模块。下面分别就这4个模块进行简要的叙述。
3.1 DS18B20 的温度读取模块
此模块由4 个函数构成: (1) 读取温度的主函数GET_TEMP; (2) 初始化DS18B20 的子函数INT; (3) 向DS18B20 写操作命令的子函数WRITE; (4) 从DS18B20 中读取数据的子函数READ。
3.2 温度转换模块
DS18B20 测得的温度在存储区是以补码的形式存储的, 因此要将其在数码管上显示需要进行适当转换[2]。
温度数据占用两个字节LSB与MSB, 其中MSB的高5位为符号位, 后三位与LSB的8位二进制组成温度数值部分, LSB的高四位与MSB的低三位组成温度的整数部分, LSB的低四位为温度的小数部分, 为方便显示, 将精度定为小数点后一位。
3.3 温度显示模块
将要显示的内容存储在6 个存储单元中, 将字位码送到P2口, 字型码送到P0口, 数码管从左向右依次显示, 延时程序为1ms, 根据视觉停留的原理, 看上去像是6 个数码管同时点亮。
3.4 单片机与单片机之间的串行通信模块
串行通信采用程序查询方式处理。作为发送方A, 首先要发送出接收起始识别标记, 便于接收方B判别从哪一字节开始接收, 为了避免差错的产生, 所选的起始标记不可以是0 与21 之间的任何十进制整数, 因此选定为 (99) D。之后将处理好的数据按字节依次发送给接收方B, 最后一个字节发送A的地址, 再由接收方B做出识别。
4 系统总体调试
此次无线温度传感系统的实现开始时由于对TX315A的特性不是十分明确, 所以最初采用有线串行通信的形式进行调试, 将单片机在线系统A与单片机在线系统B用导线分别将它们串行接口的2、3、5引脚与3、2、5 引脚相连, 扩展时只需将CD40106 与TX315A焊接在单片机上, 整个程序并不需要改动, 但要注意将P3.1的跳线器置于下方。
由于有多个发射器将温度发送给接收方, 为了避免碰撞产生, 采用时分复用作为通信协议, 使单位时间片的长度略大于整个程序执行一次的长度, 每一时间片内只有一个发送方进行数据发送, 其他发送方设置时钟执行空操作, 时钟设置的时长为: (发送方个数-1) ×时间片长度, 所有发送方轮流发送数据。为了使接收方能顺利显示, 发送数据与地址前首先发送识别标志 (99) D, 然后发送地址, 以便接收方完成地址的识别与显示, 最后发送温度数据。因为只有6 个数码管, 接收方既要显示数据还要显示地址, 所以将温度的精度设置在小数点后1 位。为使TX315A接入整个系统时, 提供给发射器的电压不会有所衰减, 接入CD40106芯片。
5 总结
本文所研究的多点无线温度测量系统是短距离无线通信技术在温度测量方面的一个具体应用。系统以AT89S52 为核心, 采用数字式温度传感器DS18B20, 应用传感技术、无线收发技术及计算机技术, 实现多点温度数据的采集和短距离无线传输[3]。
系统采用模块化设计, 主要由三大部分构成:第一部分为系统的温度数据采集部分, 多片单总线温度传感器DS18B20 组成温度采集网络, 完成多点温度数据的采集和无线发送;第二部分为温度数据的处理与显示部分, 完成温度数据的转换和在数码管上的显示;第三部分为系统的发射端, 由芯片CD40106辅助TX351A完成数据无线的发射功能。该温度测量系统电路简单, 性能稳定, 抗干扰能力强, 可靠性高, 搭建方便, 易于扩展, 因此本系统适用于在短距离对多种环境温度的监测。
可以将本系统设计成多点无线温度传感器, 从而组成分布式无线测温系统, 根据MCS-51系列单片机的主从式多机通信结构, 最多可以构成具有254 个测温节点的无线测温系统, 节约了系统布线成本, 测温点布置、移动方便, 适用于各种场合, 有广阔的应用前景。
参考文献
[1]吴绍华, 周宏辉.基于无源无线传感技术的高压设备温度监测系统分析[J].机电信息, 2012 (6) :74-77.
[2]朱丽丽, 王长友.基于AVR单片机与温度传感器DS18B20的多点温度测量[J].电工电气, 2010 (12) :52-56.
用一个元件制作的数字温度传感器 篇5
一、LM35D集成温度传感器的原理
LM35D是一种输出电压与摄氏温度成正比例关系的温度传感器，当温度在-50~+150℃变化时，它能以10MV/℃的线性变化输出与摄氏温度成正比的电压量，实现温度到电压的转换。在本次教学中，采用单电源接法，它可以实现0~+150℃的测温，对应的电压输出为0~1.5V。LM35D的工作电压为4~30V，精度为±1℃，最大线性误差为±0.5℃，静态电流为80uA，它的输出电阻很低，约0.1，具有良好的带负载能力，LM35D的外形如塑封三极管（TO-92）。
二、与万用表连接制作数字温度计
了解LM35D集成温度传感器的原理之后，我们开始动手制作数字温度计。
1.元件准备
LM35D集成温度传感器一只，红色、黑色、黄色导线共三根，三位半数字万用表一只、烙铁一个、热缩管若干，教学用学生电源一只，烧开的热水一杯，150℃的酒精温度计一只。
2.制作过程
在LM35D的三个管脚上分别焊接红色、黑色和黄色导线，导线长度大概为10cm，引脚导线外套套管（热缩管）。要求：按照红色接电源正、黑色接电源负、黄色为信号线焊接。将学生电源调到6V档位，接入LM35D的1号引脚，2号引脚接数字万用表的输入端红表笔表使用2V直流电压测量档，万用表黑表笔和电源地共地。
3.测量过程
连接好线路后，现在数字万用表上显示的就是室温；用手握住LM35D，可以测量人手的温度，大约为32℃左右，不同的元件会有1℃左右的偏差。。
在LM35D放入热水烧杯中，测量热水的温度。同时放入酒精温度计，比较下LM35D的测量准确性。
三、外接数字表头的温度计
通过外接万用表熟悉LM35D温度传感器的使用之后，40分钟左右的课堂时间已经不太富裕了，有些基础比较好的同学做得快，所以我准备了几个数字显示表头让这些学生根据表头显示连接温度计，如：HB3185超小型三位半数字面板表。
HB8135A型数字面板表具有线性好，温漂小，输入阻抗高，工作稳定等优点，自锁面框安装方便，占用面板面积更小，结构更紧凑。广泛应用于各种仪器仪表、机电设备的电压、电流等参数的数字化显示方面。
HA8135的测量输入范围为0~20V，显示量程为0~19.99，+5V电源供电，接口为4路，分别为5V、GND、IN+、IN-，分别是5v电源正负端，输入信号正负端；将LM35D的2号脚信号直接接入输入信号端，接入电源，即可在面板上显示当前测量温度。
四、总结
温度传感技术 篇6
关键词：无线射频识别,应答器,收发器,标准化
0 引言
作为一项高度自动化的信息技术,自动识别技术的应用,给各行各业带来了极大的方便。在出入控制与安全控制等方面,自动识别技术已经达到了一定的应用水平,并逐步拓展到了产业供应链以及制造工业领域方面。早在七十年代,自动识别技术就已经诞生了,我们常见的条形码技术其实就是自动识别技术的一种体现。不仅如此,近些年来射频识别技术也逐步被广大科研人员应用到自动识别系统当中。所谓的射频识别技术就是指RFID技术,本文就射频识别技术在温度传感器方面的应用进行了研究。
1 射频识别技术
在阅读器和应答器之间,我们可以通过采取射频识别技术来实现无线射频方式,确保二者之间的双向数据传输,从而达到目标识别的目的。整个识别过程无需任何人工,它可以适用于各种恶劣环境,极大的降低了人力环境,且工作效率极高。RFID能够对高速运动的物体进行识别,还可以对两个以上的标签进行识别。与自动识别系统,也就是我们常见的条形码相比,其具有很多优势,也正是由于这些优势的存在,使得其应用范围越来越大。例如其可以读写多种数据,这些数据包括定向数据,也包括不定向数据。射频识别技术还可以打破外部材料的限制,实现数据的读取,无论在什么样的恶劣环境下,都可以顺利的将工作完成好。因此在极端恶劣的情况下,我们可以应用射频识别技术,达到我们工作的目的,并尽可能地存储大量的数据信息,实现对物体的物理定位。但我们也应当意识到,射频识别技术在使用过后,其标签不能像条形码一样随意的扔掉,如果我们不能遵守这一行为准则,将会给我们的生产生活带来负面影响。电磁理论是射频技术诞生的基本原理。它利用射频信号和空间耦合传输特性来实现对物体的识别,从而实现对物体特征的了解。
2 RFID温度传感器
随着RFID技术以及传感器技术发展速度的加快,人们开始探究能否将二者有机结合在一起,应用到生活以及日常的生产过程当中,从而达到我们预期的目的。在科学研究者夜以继日的工作下,RFID温度传感器诞生了,具体来说,其可以分为两种类型:一方面为RFID标签集成传统电池支持的传感器,该标签尺寸较大,且标签制作成本较高,在应用过程中,人们逐步发现其寿命通常是由电池容量大小来决定的。另一方面是研究者将传感器集成于标签天线上,这种做法有效弥补了第一方面存在的问题,降低了传感器的成本,缩小了传感器的尺寸。作为无线传感网络的重要组成部分之一,智能性的传感器RFID更被广大人民群众所青睐。不仅如此,温度传感器还能对环境的温度予以反应,能够对温度的变化进行记录。现阶段,以CMOS工艺为基础的RFID温度传感方法存在两种典型结构:其中一种典型结构充分利用了模数转换实现了从一般信号向数字信号的转变;另外一种则是在信号转换的过程中运用时域数字量化方法。将这两种方法进行科学的对比,我们不难发现,前一种方法测量范围非常广泛,且测量成本相对较低。但值得注意的是,该种测量方式功耗越来越大。第二种,测量方式范围小,测量精度不高,但其功耗相对较低,究竟使用哪种温度计,则需要使用者从自身实际情况出发,进行科学的选择。
3 RFID温度传感器应用存在的问题
现阶段,RFID技术虽然应用到温度传感器当中,并且达到了一定的水平,但值得注意的是,该技术还远未达到大规模应用的地步,造成这种现象的主要原因在于以下几个方面:从技术角度上来说。阻碍RFID温度传感器应用的最主要原因就是成本和标准问题。虽然现阶段RFID温度传感器成本已经下降了很多,但其价格仍然居高不下,导致温度传感器难以更为广泛的应用。这一问题需要我们给予高度的重视。标准不统一也是制约RFID温度传感器发展的重要因素,各个厂家各自为政,都推出了成本相对较低的产品,但由于产品互不相容,这就给将来的RFID温度传感器的互通和发展埋下了隐患。不仅如此,目前我国相关的技术标准和质量标准也没有统一,这就加大了RFID温度传感器应用推广的难度。
4 RFID温度传感器应用对策
首先,科研人员必须采取有效措施降低成本。众所周知,若想降低成本,就必须突破技术,加大RFID温度传感器领域的先期投资力度,从而做到以市场需求为导向,引导RFID温度传感器的发展。其次,一个企业家应当充分意识到RFID温度传感器为其带来的经济效益及社会效益,在今后的工作过程中不断降低成本,实现经济效益的最大化。企业也可以将RFID温度传感器应用在一些高附加值的产品上,而对于那些低附加值的产品,则可以实现数个产品同时应用在一个RFID温度传感器上。再次,政府应当积极主动地融入到RFID温度传感器统一标准的建立当中,科学统一标准的建立,离不开政府的参与。政府部门一方面可以和相关的企业和组织协商,制定符合自身发展情况的标准。另一方面也应当同其他国共同协商,建立有利于中国市场的国际标准。只有在这种情况下,RFID温度传感器才能够真真正正地建立起来。最后,对于标签的回收问题,可以落实到责任人,秉持谁获益谁负责的原则,实现标签回收。
5 结束语
总而言之,RFID温度传感器自应用以来,就得到了广大人民群众的青睐,逐步被应用到各行各业中,但我们也应当意识到,RFID温度传感器自应用以来也暴露出了一些问题,面对这些问题,我们要做的不是气馁,而是应当采取有效措施将这些问题解决掉,避免此类问题发生在RFID温度传感器应用过程当中。当然,问题的解决并不是一蹴而就的,它是一个系统的工程,需要我们共同努力才能够实现。
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温度传感技术 篇7
关键词：火灾探测系统,地铁,分布式光纤感温火灾探测系统,光纤光栅感温火灾探测系统,隧道
0 引言
地铁系统在城市扩展、产业聚集、居住转移、城市区域辐射力提升等现代化城市进程中扮演了重要的角色。地铁地下站建筑物具有以下特点:a.隧道区间线路较长、隧道内载客车辆客流量大,是人流高度集中密集的场所。b.隧道内分布着地铁供电、车辆、信号、通信等各个专业的供配电设施和通信线缆。上述特点造成地铁地下站建筑物一旦发生火灾,人员疏散、火灾扑救存在极大困难,极易造成严重后果。因此,对隧道火灾进行早期的探测和报警,尽早发现火灾迹象,及早扑救,对保障行车安全和降低财产损失具有重要意义。
1 研究背景
早期的区间火灾自动报警系统(FAS)设置方案主要是通过在区间隧道的墙面上每隔一定的距离设置手动火灾报警按钮,当发生火灾时,由人员操作报警按钮进行手动报警从而确认火灾发生的地点,并且根据行车的情况启动相应联动程序。但地铁隧道区间较长,而FAS系统设备又存在回路容量不够、总线长度有限、不能准确定位报警点以及其它线性感温元件保护范围小等技术难点,因此FAS系统对隧道火灾的早期探测和报警显得力不从心。随着光纤制造技术的日益成熟,以光纤作为信号的传输媒质,利用其使用寿命长、耐腐蚀、光信号衰减小、可远距离传输,且不受周围磁场、雷击等因素干扰等诸多优点的光纤温度传感技术正逐渐应用于地铁隧道或地铁其他区域的火灾探测系统。目前,基于光纤温度传感技术的火灾探测系统主要包括分布式光纤感温火灾探测系统和光纤光栅感温火灾探测系统。
2 分布式光纤感温火灾探测系统
2.1 测温原理
分布式光纤感温火灾探测系统的工作原理是利用光时域反射技术(OTDR)测量激光脉冲在光纤中传输时各点的后向拉曼散射光信号;拉曼散射光信号中存在斯托克斯光和反斯托克斯光,其中反斯托克斯光强度具有对环境温度敏感性的特点,可以此用来实现连续空间温度场的温度测量和位置确定,从而获得沿光纤路径的温度场分布;为了消除光源波动等因素影响,通过检测斯托克斯光和反斯托克斯光强度的比值(该比值仅与温度有关,而与光纤的弯曲半径、入射光等参数无关)[1,2,3,4],再利用OTDR技术实现对空间温度场分布的实时监测,最终实现分布式光纤感温火灾监测与报警。
2.2 系统结构
根据OTDR技术和后向拉曼散射原理,构建了分布式光纤感温火灾探测系统,该火灾探测系统中采用的温度传感原理如图1所示。激光器产生的激光脉冲在光纤中传输时会产生拉曼散射信号,其中反斯托克斯光和斯托克斯光这两种散射信号沿光纤向后传播,经过波分复用器(WDM)分波后分成两路提取,经过光电转换器将光信号转换为电信号,再经过信号处理、解调后,通过计算机处理,将温度信息从中提取出来,通过设定温度报警的阈值,实现火灾报警系统的显示、报警及消防联动功能。
2.3 系统特点
分布式光纤感温火灾探测系统可提供任意温度点的报警和连续的动态监测信号。该火灾探测系统的探测范围可长达几十公里,实现分布式光纤沿路各点环境温度变化的监测;测温范围广,温度分辨率可达到0.1℃,温度精度可达到±0.5℃;可提供一个连续的动态监测信号,可设置多级温度点报警及温差报警。但该火灾探测系统采用的分布式光纤温度传感测量技术是基于对较为微弱的反射光信号进行测量分析的,容易受到光源波动、光纤弯曲和接头扰动等因素的影响,导致光强信号不稳定,测量精度一定程度上无法保证,并且其对激光光源的要求较高,而好的激光光源价格较为昂贵。
3 光纤光栅感温火灾探测系统
3.1 测温原理
光纤布拉格光栅(FBG)利用光纤纤芯材料的光敏性,并通过特定方式在纤芯中沿轴向形成周期性的折射率变化,形成FBG结构的光学器件。FBG具有窄带反射的特性,当入射宽带光源经过FBG后,只有波长满足相位匹配条件(λB)的窄带光信号才可以被反射,其余波长的光信号透射进入光纤继续向前传播。相关研究表明在一个较宽的温度范围内,并且没有其它外界因素影响下,因温度变化引起的FBG反射中心波长位移ΔλB与温度变化ΔT具有良好的线性关系[5]。通过测量FBG反射中心波长的变化ΔλB,就可以获得FBG周围环境温度的变化ΔT。
3.2 系统结构
光纤光栅感温火灾探测系统主要是对监测区域的温度进行在线实时监测,显示区域温度变化,并对温度异常升高的情况进行报警。光纤光栅感温火灾探测系统主要由报警装置、波长解调装置、光纤光栅感温探头、传输光缆和计算机组成[6],如图2所示。布置在各个监测点上的光纤光栅感温探头通过传输光缆连接,与宽带光源和波长解调装置一起形成感温火灾探测器;为了区分探测位置,在初始状态下每个光纤光栅感温探头分别对应不同的反射波长,光纤光栅波长解调装置实时监测每个探头反射波长及其变化,以获得对应监测点温度的变化;反射的光传感信号通过光纤和波长解调装置传送到计算机系统进行处理,其中波长解调装置为光纤光栅感温火灾探测系统的解调部分,其由光探测器、光分路器、波长调节设定单元、宽带光源、恒温解调器以及相应电子电路等组成,波长解调装置通过USB或RS232和数据终端主机进行通信,在数据终端主机中通过软件实现数据处理,以实现对现场感温信号的实时监测与报警。
3.3 系统特点
光纤光栅感温火灾探测系统是通过分布在各个监测点的光纤光栅感温探头进行火灾探测的,其监测区域受限于光纤光栅感温探头所在的位置,但由于光纤光栅的温度敏感性较高,且现有的波长解调技术完全能对其反射波长信号进行解调,因此光纤光栅感温火灾探测系统仍具有极高的灵敏性,测温精度可以达到±2℃,并且波长信号比光强度信号要稳定,不会因为光源的衰减或插入损耗而受影响,使其相比与分布式光纤感温火灾探测系统具有更高的精度和更好的抗干扰性,同时由于普通宽带光源的价格要远低于高质量的激光光源,也使其相比与分布式光纤感温火灾探测系统具有更低的价格。
4 光纤感温火灾探测系统的应用
4.1 安装方式
在区间隧道内,促使环境温度升高的热量来源主要是热辐射和热对流,其中对流热是通过热空气上升聚集在隧道顶部进行传播的,辐射热则是通过直线形式传播的。当车厢内发生火灾时,在火灾发生初期是通过车窗玻璃辐射出热量的,只有当火势较大时,热对流才会成为主要的热量传播方式。由于地铁隧道内火灾探测最主要是针对火灾初期的,因此为了能尽早实现对车厢内火灾的显示、报警,针对车厢内部发生火灾初期主要以热辐射的方式透过车窗传播热量的特点,分布式光纤感温火灾探测系统和光纤光栅感温火灾探测系统应在与列车车窗等高处的隧道内壁安装分布式感温光纤和光纤光栅感温探头。此外,为实现对因线缆短路或断路等故障引起的火灾的早期显示、报警,分布式光纤感温火灾探测系统和光纤光栅感温火灾探测系统应在隧道两侧分别装有强电电缆桥架和弱电电缆桥架处安装分布式感温光纤和光纤光栅感温探头。
4.2 组网方式
分布式光纤感温火灾探测系统和光纤光栅感温火灾探测系统的主机可通过RJ45接口形式的以太网与上级综合监控系统交换机相连,上传系统中所有温度监控信息,由上级综合监控系统完成控制、监测和管理等功能,实时监测温度与火灾情况及设备运行情况。
分布式光纤感温火灾探测系统和光纤光栅感温火灾探测系统可以通过继电器接点(或通信接口)与火灾自动报警系统主机连接,当火灾发生时输出报警信号,实现火灾的报警联动。分布式光纤感温火灾探测系统和光纤光栅感温火灾探测系统可以通过继电器接点(或通信接口)与环境与设备监控系统(BAS)设备连接,可作为BAS系统的区间温度传感器,实现环境温度的实时监测和联动控制,实现节能减排,并且在隧道列车阻塞时,可与BAS系统共同完成阻塞模式的控制。
5 总结
通过以上分析可知,分布式光纤感温火灾探测系统和光纤光栅感温火灾探测系统各有优缺点,可对于不同的情况进行有针对性的应用。对于地铁区间较长的隧道,由于需要连续监测温度变化,在系统总价允许的情况下可采用分布式光纤感温火灾探测系统;而对于操作维护不方便的车站站台板下或电缆夹层以及重要设备房,采用光纤光栅感温火灾探测系统则可大大提高温度监测的准确性。实际应用证明,分布式光纤感温火灾探测系统和光纤光栅感温火灾探测系统凭借各自较好的特性已成为传统感温火灾自动报警系统的有力补充,预计两者在轨道交通领域的应用将会越来越广。
参考文献
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温度传感技术 篇8
电力设备安全可靠性是超大规模输配电和电网安全运行的重要保障,随着经济的快速增长,国家电网的供电负荷日益增加,同时也给电网电气设备带来了一系列的安全问题。电网设备中的触头和接头是电网安全的重要隐患,如高压开关设备因高压断路器动、静触头接触不良,加上长期大电流、触头老化等因素易导致接触电阻增大,造成触头温升过高,最终发生高压柜烧毁事故。电缆接头随着运行时间的延长会出现压接头松动、绝缘老化以及局部放电、高压泄漏等问题,从而引起发热和温升,这将使其运行状况进一步恶化,促使温度进一步提升, 这一恶性循环的结果就是引发短路放炮,甚至火灾。因此,电力设备安全运行实时监控的实施迫在眉睫。相比常见的示温蜡片法、红外测温仪、光纤测温系统等,电力无线测温系统实时性强、性价比高、安全可靠,利用该方式测量高压环境温度已成为一种必然趋势。
1系统实现方式
无线测温终端采用自取电的方式进行供电,采用全数字方式工作,该终端附着在高压电器上,等电位监测设备运行状态。 无线测温终端把温度信号通过频段为433 MHz的无线方式传送给采集器,采集器可以接收多个测温终端的数据,同时把接收到的数据发送给内置的Zigbee模块,然后进行组网传输,每个采集器就是一个Zigbee节点设备,相邻的节点通过集中器组成一个Zigbee网络,实现与各个节点设备的数据通信以及收集汇总,最终通过GPRS上传给监控中心。为保证Zigbee网络的可靠稳定和实时性,可以在输电线路中组成若干个网络。监控中心可以实时监控每个发热点温度的变化,工作人员足不出户就能掌握整个高压系统的发热状况,进而作出正确的决策。
2系统组成
无线测温系统旨在解决常规测温手段实时性差、受安装环境限制大、无法实现对封闭设备测温的难题,满足户外输配电线路及无人值守变电站对主要设备温度实时监控的需求。在实际设计中主要需解决以下问题:对主要设备关键部位温度的实时采集,温度信号的传输方式及监控中心后台软件的设计。 系统相应的设备包括:
(1)无线测温终端。无线测温终端采用电流互感取电的方式供电,包括温度传感器和测温主机。温度传感器附着在发热点上,并和测温主机通过导线相连接。温度采样后,测温主机把温度数据通过频段为433MHz的无线方式传送给采集器。
(2)采集器。采集器可以同时接收多个测温终端的数据, 进行汇总处理,然后把接收到的数据发送给内置的Zigbee模块,进行组网传输,每个采集器就是一个Zigbee网络的节点设备,相邻的节点可以组成一个Zigbee网络,实现与各个节点设备的数据通信,有效解决了频段为433 MHz的无线方式传输数据距离有限的问题,扩大了温度监控的有效范围。
(3)集中器。由集中器组建成Zigbee网络,对网络中各个节点设备的数据进行汇总,然后通过GPRS把数据上传给监控中心。若输电线路距离很远,可以由若干个集中器把相邻的节点设备各自组 成一个Zigbee网络,提高系统 温度采样 的实时性。
(4)监控中心后台软件。通过配套软件的开发应用,无线测温系统监控端可对采集的数据进行分组编辑定义,实现不同的预警功能;还可以应用软件建立历史温度数据库,为电力系统设备的状态检修提供决策信息,提高决策的正确性。
3关键技术的实现
无线测温终端的供电方式为感应取电,即将高压输电线路周围感应的电磁能量转化为电能。该终端的取电性能超强,无工作盲点。只要有3A以上一次电流就可以让测温主机正常工作。取电感应线圈采用特殊的软磁合金材料,产热很小,在5 000A的大电流下对检测点没有任何影响,不同于传统硅钢片,取电能量很高,产热很严重,会升高检测点的温度。对于感应取电方式的监测模块往往存在模块本身在大电流情况下产热严重的问题,喉箍式双模测温终端通过对材料和结构的改进,完全避免了该现象。通过以上措施,保证无线测温终端稳定可靠,抗干扰性强。
无线测温终端通过433MHz的无线信号把温度信息传给采集器,采集器可以同时接收多个无线测温终端的温度信息, 但由于是无线信号,无法把温度信息直接传输给监控中心,若每个采集器都加装一个GPRS模块,成本势必会比较高,同时也增加了系统的复杂程度。因此,为简化系统,同时保证数据可靠实时传输,采用了Zigbee的物联网技术。Zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术,主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立,具有结构简单、使用方便、工作可靠、价格低的特点。它是一个由可多到65 000个无线数 传模块组 成的无线 数传网络 平台,每个Zigbee网络数传模块之间都可以相互通信。正是由于这些特点,在采集器中内置了Zigbee模块,使之成为一个Zigbee节点设备,集中器把相邻的采集器组成网络,进行温度数据传输及汇总,最终通过GPRS上传给监控中心。这样一来,可以大大减少GPRS模块的装配数量,有效地降低了成本。在长距离的输配电线路中,为保证数据传输的实时性、可靠性,可以组建若干个Zigbee网络。这样就保证了在户外环境恶劣的条件下,无线测温终端的温度数据也得到有效便捷的传输,大大增加了系统的灵活性、可靠性。
4系统特点
(1)测温终端采用分体设计。温度传感器与测温主机采用分体设计,温度传感器与测温主机之间通过带屏蔽、抗高温老化线连接,传感器位于高温区,而测温主机远离高温区。另外, 测温主机与所连接母排或导线间有一定的缝隙,有效地阻隔了热传导,保障测温主机工作在正常温度,提高了设备运行的可靠性。
(2)组网灵活,范围广。通过Zigbee技术,把相邻的各个节点设备组成小网络;通过GPRS移动通信网将各个小网络的节点数据上传到监控中心,可以组成大范围的远方温度监测网络。
(3)可靠性高。系统处于高电压环境中,具备高度的可靠性和安全性,保障了监控人员及监测系统、电力设备的安全。
(4)结构合理。由于电力系统中设备运行环境复杂,合理的结构设计保障了设备安装适用不同的环境。选用器件集成度高,功耗低,可靠性高。多层屏蔽技术抗干扰能力强,软件辅助纠错保证了数据采集准确、传输可靠。
5结语
无线远程测温系统可以实时监测输配电线路各个发热点的温度情况,有效地减少了设备巡视次数,降低了运营成本。 另外,通过长时间的运行数据收集整理,输配电线路各主要设备均建立了自己的温度数据库,为实现设备状态检修提供了决策信息,有利于共同营造安全生产的良好氛围,实现安全生产的目标。
摘要：研究设计基于感应取电方式的电力无线测温系统,测温终端检测到设备温度后,通过采集器汇总处理并利用Zigbee组网传输数据,监控中心通过后台软件可以监视整个高压输配电线路的温度情况,进而作出正确的决策。
温度传感技术 篇9
固态压阻式传感器是利用半导体的压阻效应所制成的传感器, 其灵敏度将随温度的变化而变化, 导致输入输出特性存在非线性。表现为被测的目标参量为零或保持恒定值时, 改变工作环境温度, 则传感器的零点或输出电压值均发生变化, 这将给测量目标参量带来误差。传统的温度补偿方法有:恒流源供电法、电压正反馈补偿法、热敏电阻补偿法, 但以上三种方法只能是灵敏度温度系数接近于零, 很难在较宽的温度范围内得到完全补偿。因此, 本文将人工神经网络和虚拟仪器相结合, 设计了压阻式压力传感器的温度补偿系统, 消除了温度影响同时也进行了零点及非线性补偿。
1补偿系统的工作原理
补偿系统由传感器和温度补偿器两部分组成。传感器部分包括主传感器与温度监测传感器:主传感器为固态压阻式传感器, 它与数据采集卡 (DAQ) 组成测试系统;对主传感器进行温度补偿要引入温度监测传感器, 它起到监测工作环境温度的作用;温度补偿器是一个软件模块, 补偿系统要对上述2个传感器进行数据融合, 因此温度补偿软件模块也是一个多传感器数据融合系统。
1.1 BP神经网络的学习算法
对压阻式压力传感器进行温度补偿, 可以在一定的工作温度范围内选定。表1列出了在20 ℃～65 ℃间6个温度状态的静态标定数据, 同时在选用的压阻式压力传感器量程范围内选了5个标定值, 因此获得了30个标定数据。其中, 20个数据对网络进行训练, 10个数据作为网络校验样本数据。
从表1的标定值可以看出, 在输入压力值不变的情况下, 工作环境温度改变, 压力传感器的输出电压值也随之改变。
1.2样本数据归一化处理
神经网络所处理的数据应是在-1和+1间的归一化数据, 因此采用如下公式进行传感器输出数据的归一化处理:
undefined. (1)
undefined. (2)
式中, undefinedim和undefinedm为第m个样本神经网络的输入、输出归一化值;Xim和Om为第m个样本的输入输出标定值, 本文中i=1, 2;Ximax和Ximin为第i个传感器输出最大、最小标定值。
1.3神经网络的结构与训练
BP神经网络结构:
基于该系统采用3层BP神经网络, 输入层i=1, 2, 共有2个节点, 分别输入压阻传感器和温度传感器的输出电压值Up和Ut。隐层节点数j=1, 2, …, ll可在3～30范围内选择, 视补偿效果而定。输出层节点k=1, 为一个节点, 表示输出压力值Pt。
(1) 隐层第j个神经元的输入为:
undefined. (3)
其中:wji是隐层第j个神经元到输入层第i个神经元的连接权值。
(2) 隐层第j个神经元的输出为:
undefined. (4)
(3) 神经网络的输出为:
undefined. (5)
其中:wkj是输出层第k个神经元到隐层第j个神经元的连接权值。
(4) 网络计算输出值与传感器相应的标定值 (也称期望值) 的均方误差E为最小, 即:
undefined. (6)
式中, ε为给定的允许误差, 通常取为任意小的正实数。
(5) BP神经网络权值修正量为:
undefined. (7)
undefined
温度补偿系统BP神经网络Ot和undefinedm分别为归一化的网络输出的计算值与标定值;m为样本序号;M为样本总数;训练的样本数越多, 网络的计算结果Ot的偏差越小。根据标定实验提供的学习样本, 采用BP算法学习修正网络的权值和阈值, 直到满足精度要求为止。训练后的神经网络仍不能使用, 必须使用附加样本进行性能验证, 如不能满足要求, 就需要重新训练网络, 所以神经网络的训练是一个反复的过程。
1.4学习算法的图形化编程
在LabVIEW中要实现神经网络, 可通过多种方式实现:利用CIN节点调用外部编译好的C或者C++程序;利用MATLAB Script节点编辑或调用MATLAB程序;利用LabVIEW本身的图形编程语言编程实现。
同上述两种方法相比, 用LabVIEW本身的图形语言来编程有很多的优势。LabVIEW的G程序是独立于运行平台的, 不需要依赖其他软件。而且作为一种图形化的、数据驱动的程序语言, LabVIEW可以更方便地实现给定的算法, 程序更加清晰明了, 修改起来也更加方便。同时利用子程序技术, 可以大大提高程序的利用率。基于此, 本文采用图形编程的方法来实现神经网络控制。图3为实现BP算法的LabVIEW程序。
2系统设计与实现
系统使用NI公司的LabVIEW和PCI-MIO-16E-1多功能数据采集卡实现温度补偿系统。在LabVIEW平台下开发出“虚拟传感器参数检测仪”, 完成数据的采集与预处理。在此基础上嵌入MATLAB程序进行神经网络运算。
2.1面板设计
前面板主要由两部分组成:神经网络训练模块和数据保存模块。神经网络训练模块执行压阻传感器的温度补偿;数据保存模块将训练后的相关数据进行保存并写入文件中。
2.2程序流程图设计
在LabVIEW中, 流程图是程序运行的基础。流程图主要完成前面板上各个部分的相应功能, 包括执行MATLAB Script操作和While Loop操作。
2.3数据运行及保存
当程序开始运行, 分别在“压阻传感器输出”和“温度传感器输出”中输入25.42和27.01, 然后单击“开始”按钮, 则在“压力”数据框中显示出0。通过实验可以看出:虚拟温度补偿仪的补偿效果非常好。
3结论
研究表明:将经典传感器经信号调理单元与微计算机赋予智能的结合, 建立智能传感器系统是改善经典传感器性能的有效途径。本文运用LabVIEW图形化编程语言实现了BP神经网络控制。通过仿真实例验证 , 该方法快速有效, 而且编程简单清晰。
摘要：介绍了一体化虚拟温度传感器补偿仪, 运用多传感器数据融合技术与神经网络技术, 与虚拟仪器技术相结合创建了虚拟压阻式传感器的温度补偿系统。实验结果表明, 该方法有效地抑制干扰因素, 获得高稳定性测量结果。
关键词：神经网络,虚拟仪器,传感器
参考文献
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温度传感技术 篇10
关键词： 光纤传感器； 宏弯损耗； 温度变化； 光斑旋转角度
中图分类号： TP212.1 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.002
文章编号： 1005-5630（2016）03-0200-05
Abstract： In order to research the temperature sensitivity of optical fiber sensor based on two faculae rotation，a new optical fiber sensor system based on the monitoring of facula rotation angle is designed.Firstly，one fiber is coiled into two fiber loops （Loop 1 and Loop 2）.Then the radius of the Loop 1 is changed to incur macros bending loss and two faculae is realized.Meanwhile，Loop 2 is put into water temperature monitor box and temperature changes are observed relate to facula rotation angles.The experiment also shows how temperature changes relate to three faculae rotation angles for comparison.Finally，the principle of optical fiber macros bending loss and fiber optic ring coupling is analyzed.MATLAB is used to process the collected data of the experiments and the result shows that two faculae optical sensor is thermally stable.
Keywords： optical fiber sensor； bending loss； temperature change； facula rotation angle
引 言
光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术。光纤传感器以其高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可弯曲、体积小、结构简单以及与光纤传输线路相容等独特优点受到世界各国的广泛关注[1]。如今，光纤传感技术日益成熟和完善，可传感角速度、压力、温度、电场、振动等物理量，被广泛地应用于远程控制以及医疗、生物、化学、电力检测等方面。其中，利用光纤传感技术的温度测量也越来越受到人们的重视[2]。
光纤传感器可以分为非功能型（传光型或强度调制型光纤传感器）和功能型（传感型光纤传感器）2类，光纤温度传感器是一种新型的温度传感器，目前主要的光纤温度传感器有分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等[3-4]。
本文介绍一种基于光斑旋转角度调制的光纤传感系统，光纤所在环境的温度变化会导致光斑旋转，从而改变出射端的光斑的角度。所以通过一个简单的CCD获得光斑图像，再经过MATLAB处理获得所得图像中的光斑角度，达到间接测量的目的。
1 基本原理及系统结构
光纤的宏弯损耗主要来源于光纤弯曲产生的空间滤波、模式泄露及模式耦合[5]，其中以空间滤波效应造成的损耗为主。光纤不同程度的弯曲将伴随着不同程度的空间滤波。受到光纤弯曲的影响，光纤中的全反射的条件受到破坏，高阶模将折射到包层中，较高阶模式进入截止状态，导致纤芯传导模式减少。光纤的宏弯损耗主要包括辐射损耗和过渡损耗[6]，可以表示为：
经式（1）、式（2）大量计算可得，由曲率半径的改变而引起的过度损耗远远小于辐射损耗[7]。由式（1）可以看出，光纤弯曲程度（R/a）越大，空间滤波效应越明显，辐射损耗也大，纤芯传输的模式数就越少，导致出射光斑数量的减少。
实验装置如图1所示，激光器（DH-HN250P）发出的光经过聚焦透镜耦合进单模传感光纤中，激光先经过光纤环1（光纤环1为单模光纤绕制的一定半径的单圈光纤环，起空间滤波作用），再通过光纤环2（光纤环2为单模光纤紧密绕制在一定半径的圆柱海绵体上形成的光纤环，作为传感光纤环，并放在水温控制箱中），CCD接收光纤输出端的激光光斑，最终将光斑图像传至PC。
2 实验现象
2.1 光斑数变化
2个级联的光纤环：光纤环1的直径为20 mm；光纤环2直径为20 mm，有6圈且紧密绕在圆柱形海绵体上。初始光斑为4个，减小光纤环1的直径到16 mm后，光斑减少为3个，继续减少光纤环1的直径到10 mm，光斑变为2个。经实验观察得到，缩小光纤环1的直径，由于压缩使光纤结构和光纤传播常数发生变化，导致光波模式的耦合、损耗变大，进而减少了出射光斑的数量。
2.2 光斑旋转
2个级联的光纤环：光纤环1直径为10 mm；光纤环2紧密绕着圆柱形海绵体6圈，直径为20 mm。实验中逐渐降低水温控制箱的温度，获得图2所示的光斑图（图2中的（a）至（h）分别表示从90℃每隔10 ℃依次降到20 ℃时两光斑角度变化的光斑效果图），改变水温控制箱的温度，两光斑绕整体中心点旋转的角度基本不变。另一组对比实验中，改变光纤环1的直径为16 mm，光纤环2紧密绕着圆柱体海绵6圈，直径仍为20 mm，PC中显示3个光斑。利用实验装置获得图3所示的光斑图（图3中的（a）至（h）分别表示从90 ℃每隔10 ℃依次降到20 ℃时三光斑角度变化的光斑效果图），改变水温控制箱的温度，三光斑绕整体中心点旋转的角度发生了一定的变化。此现象为下面的两光斑位移传感器具有温度稳定性的实验提供了依据。
3 实验结果分析
3.1 光斑图处理
将摄像头CCD读取到的视频转化为图片，接着就用MATLAB进行处理。具体过程是先进行灰度化和压缩处理，再对光斑均匀化，接着计算出各光斑的中心点和整个光斑图的中心点，最后再计算光斑的旋转角[8]。对图2、图3各光斑图进行灰度化、压缩和光斑均匀化处理，得到如图4、图5所示的光斑图。
3.2 光斑旋转角度的计算及分析
通过MATLAB处理分别获得2个光斑的特征点质心，再通过变换坐标方式可以方便快捷地测出2个光斑质心相连线与水平位置的角度，从而获得温度变化与特定直径传感光纤环光斑旋转角度的关系，测得数据如表1所示。三光斑角度的计算与两光斑不同，因为三光斑中心点组成的等边三角形的结构是稳定的，而且三角形中心点是相对固定不动的，通过MATLAB处理分别获得3个光斑的特征点质心，取其中两光斑连线的中心点坐标值，再计算该点和第3个光斑中心点的连线与水平位置的角度，从而获得三光斑旋转角度与传感光纤所处环境温度变化的关系，测得数据如表2所示。
实验获得的数据经过MATLAB最小二乘法处理，得到图6所示的两光斑旋转角度与温度变化的关系图，对应于表1中的数据；图7所示的是三光斑旋转角度与温度变化的关系图，对应于表2中的数据。
通过图6与图7的比较得出，改变传感光纤所处环境的温度，三光斑的旋转角度随着温度的变化而改变，且存在很好的线性关系：θ=0.852 6T，线性度为-3.613 2。然而在一定的误差范围内，改变传感光纤所处环境的温度，两光斑旋转角度基本保持不变，即外界温度参量并不影响两光斑弯曲线性实验的灵敏度，从而证实了基于两光斑旋转的光纤传感器具有温度稳定性。
4 结 论
本文提出了测量温度变化的光纤传感系统，通过实验获得了两光斑旋转角度与传感光纤所处环境变化的关系，得出了基于两光斑旋转角度的光纤传感器具有温度稳定性的结论。此外根据耦合模理论，也可以从理论上分析出两光斑与三光斑低阶模的受温旋转性。此传感系统结构简单、使用方便，还具有很好的重复性。由于光斑旋转方向的特定性，此系统可以用来做温度的测量，此外还可以拓展至频率、重量等多种变量的测量。
参考文献：
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温度传感技术 篇11
关键词：单总线技术,冗余校验,单片机,DS18B20
1 单总线温度传感器DS18B20概述
DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字式温度传感器,与传统的热敏电阻温度传感器不同,它能够直接读出被测的温度值,使系统结构更趋于简单,可靠性更高。本文详细论述DS18B20的单点测量、多点测量及其CRC校验方法[1]。
1.1 DS18B20温度传感器的特点
1)采用独特的单总线接口方式,即只有一根信号线与控制器相连,实现数据的双向通信,不需要外部元件;
2)测量结果直接输出数字温度信号,以单总线串行传送给控制器,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力。
3)支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三根线上,实现组网多点测量;
4)不需要备份电源、可用数据线供电,温度测量范围为-55℃~125℃,-10℃~85℃时测量精度为±0.5℃;
5)通过编程可实现9~12位的数字值读数
方式,对应的可分辨温度分别为0.5℃,0.25℃;0.125℃,0.0625℃,实现高精度测温;
1.2 DS18B20的内部结构
DS18B20采用3脚TO-92封装或8脚SOIC及CSP封装方式。图1所示为DS18B20的内部结构框图,它主要包括寄生电源、温度传感器、64位光刻ROM及单总线接口、存放中间数据的高速暂存器(内含便笺式RAM)、存储与控制逻辑、用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器、结构寄存器、8位循环冗余校验码(CRC)发生器等八部分。
1.3 DS18B20的指令
单片机控制DS18B20的指令有五条,具体见表1所示。
2 单点测量技术
单点测量实际就是应用一个DS18B20对某一点的温度进行测量。每一个DS18B20都有自己唯一的序列号,单点测量就不需要读出所用器件的序列号,可直接与单片机相连[2]。具体电路如图2所示。采用单点通信,不需读取序列码,温度采样框图如图3所示。
采样程序首先对DS18B20进行初始化。初始化结束,DS18B20已做好接收命令的准备。接下来可直接执行跳过ROM命令(CCH),即单片机在不读取ROM地址码的情况下直接向设备发出功能命令,节省了时间。单片机执行了跳过ROM命令之后,可向DS18B20发送温度转换命令(44H),DS18B20进行温度采样及A/D转换,并将转换的数据存储在缓存器中。然后再执行一次跳过ROM命令后,执行单片机读命令(BEH),将缓存器的9个字节数据读入单片机中。从而完成了仅用一个DS18B20的单点温度采样。
3 多点测量技术
图4为DS18B20采用寄生电源供电方式的多点测量连接图。此时,DS18B20的VDD引脚必须接地。为了得到足够的工作电流,应给单总线提供一个上拉,用一个场效应管将I/O线直接拉到电源上。DS18B20从单总线上获取能量,在信号线DQ处于高电平期间把能量存储在内部电容里,在信号线DQ处于低电平期间消耗电容上的电量工作,直到高电平到来,再给DS18B20内部的寄生电源充电[3]。
多点测温采样流程如图5所示。
4 负值和小数的处理方法
DS18B20测得的温度放在两字节的温度寄存器中,温度寄存器的位和对应数据之间关系见表2。
表中S表示符号。当S=0时,表示其温度为正值;当S=1时,表示其温度为负值。由表2可知,高字节中的高五位均为符号位。检测温度时,先由符号位判定温度的正负,若温度为负,则对应的温度绝对值为原码的补码,即反码加一。正温度值直接由其对应的二进制数转化为十进制数处理,负温度值由其对应的二进制数换成对应的补码后再转换为十进制数。
二进制转换为十进制的处理方法是将十六进制数每位的数值乘以对应的位权,然后把所得的十六进制数相加,其结果为对应的十进制温度值。两字节温度寄存器各位位权关系见表3。
5 冗余校验
为了保证采样温度的正确性,必须做冗余校验。DS18B20的64位光刻ROM的最后8位是前56位(包括8位产品类型标号和48位产品序列号)的CRC冗余校验码。
5.1 冗余校验原理和计算
DS18B20的冗余校验码生成多项为:
根据给定的信息多项式(即二进制信息码)和CRC多项式(1),可以用多项式除法求出余数,即校验码。则给定的信息多项式加上校验码构成新的多项式,称为冗余校验码。检验时将冗余校验码除以CRC多项式(1),若能除尽,说明传送正确,否则说明传送错误[4]。
DS18B20冗余校验的计算过程见图6。图6中8位寄存器的初始值为零,ROM的56位数或便签中的前8个字节的每一位全部由INPUT端输入(由低位开始逐个输入),并经过计算得出DS18B20的冗余校验码,然后将CRC多项式的每一位由低到高输入此寄存器。之后DS18B20的冗余校验码除以寄存器中的CRC多项式。如果结果为零,则说明数据接收正确,否则数据接收错误。
5.2 CRC校验软件编程
单片机中的冗余计算是通过软件编程实现,程序功能与移位寄存器相同。8个移位寄存器用一个存储单元来等效,ROM的56位数或便签中的前8个字节的每一位由低到高进行移位,经“异或”计算后,这个存储单元中的数据为冗余码。然后将最后一字节的冗余码再输入进行一次运算,正确则存储单元清零,错误将显示错误信息。软件编程如下:
CHECK子程序是把10H至18H这9个数(即便签条中的9个字节数)做冗余计算,结果存入21H单元。
CHECK:MOV R0,#temp LMOV R2,#09HMOV 21H,#00H
CHECK1:MOV 22H,@R0LCALL CRCINC R0DJNZ R2,CHECK1RET
CRC子程序是将21H与22H两个单元的数做冗余,21H中存的是移位寄存器中的字节,22H中存的是制作冗余的字节,结果存入21H。20H.4和23H做中间位用。
CRC:MOV R1,#08H
CRC2 CLR CMOV A,#01HANL A,22HXRL A,21HRRC AMOV 20H.4,CMOV 21H,AMOV 21H.7,CMOV 23H,#00HMOV 23H.2,CMOV 23H.3,CMOV A,23HXRL 21H,ADJNZ R1,CRC1RET
CRC1:MOV A,22HRR AMOV 22H,ALJMP CRC2
6 结论
本文论述DS18B20的单点测温方法和多点测温方法,重点阐述了DS18B20的CRC冗余校验计算方法及具体软件编程。在测量精度高、实时性强的地方,必须考虑CRC冗余校验,可大大提高测量精度和测量效果。利用本算法和程序有效地解决了某智能小区远程测温中存在的精度不高、实时性差的问题。
参考文献
[1]Http//pdfserv.maxim-ic.com/arpdf/DS18B20.PDF 2002。
[2]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社,2009.
[3]赵建领,薛园园.51单片机开发与应用技术详解[M].北京:电子工业出版社,2009.