比色光纖測溫儀設(shè)計（控制部分）【開題報告】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計開題報告</b></p><p><b>　　電氣工程及其自動化</b></p><p>　　比色光纖測溫儀設(shè)計（控制部分）</p><p>　　一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義</p><p>　　溫度是一個重要的物理量，它反映了物體的冷熱的

2、程度，與自然界中的各種物理和化學(xué)過程相聯(lián)系。在生產(chǎn)過程中，各個環(huán)節(jié)都與溫度緊密相聯(lián)，因此人們非常重視溫度的測量。</p><p>　　最早的溫度計是在1593年由意大利科學(xué)家伽利略(1564～1642)發(fā)明的。他的第一只溫度計是一根一端敞口的玻璃管，另一端帶有核桃大的玻璃泡。使用時先給玻璃泡加熱，然后把玻璃管插入水中。隨著溫度的變化，玻璃管中的水面就會上下移動，根據(jù)移動的多少就可以判定溫度的變化和溫度的高低。溫度

3、計有熱脹冷縮的作用所以這種溫度計，受外界大氣壓強(qiáng)等環(huán)境因素的影響較大，所以測量誤差較大。</p><p>　　后來伽利略的學(xué)生和其他科學(xué)家，在這個基礎(chǔ)上反復(fù)改進(jìn)，如把玻璃管倒過來，把液體放在管內(nèi)，把玻璃管封閉等。比較突出的是法國人布利奧在1659年制造的溫度計，他把玻璃泡的體積縮小，并把測溫物質(zhì)改為水銀，這樣的溫度計已具備了現(xiàn)在溫度計的雛形。以后荷蘭人華倫海特在1709年利用酒精，在1714年又利用水銀作為測量物

4、質(zhì)，制造了更精確的溫度計。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的需要，測溫技術(shù)也不斷地改進(jìn)和提高。由于測溫范圍越來越廣，根據(jù)不同的要求，又制造出不同需要的測溫儀器。</p><p>　　測量溫度的方法很多，按照測量體是否與被測介質(zhì)接觸，可分為接觸式測溫法和非接觸式測溫法兩大類。</p><p>　　接觸式測溫法的特點是測溫元件直接與被測對象接觸，兩者之間進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡，這時感

5、溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測對象的溫度值。這種方法優(yōu)點是直觀可靠，缺點是感溫元件影響被測溫度場的分布，接觸不良等都會帶來測量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)對感溫元件的性能和壽命會產(chǎn)生不利影響。</p><p>　　非接觸式測溫法的特點是感溫元件不與被測對象相接觸，而是通過輻射進(jìn)行熱交換，故可以避免接觸式測溫法的缺點，具有較高的測溫上限。此外，非接觸式測溫法熱慣性小，可達(dá)1/1000S，故便于測量運動物體

6、的溫度和快速變化的溫度。由于受物體的發(fā)射率、被測對象到儀表之間的距離以及煙塵、水汽等其他的介質(zhì)的影響，這種方法一般測溫誤差較大。</p><p>　　本課程設(shè)計的目的是測量高溫鑄造熔爐的溫度，由于鑄造爐內(nèi)部溫度極高，環(huán)境惡劣，干擾的因素較多，顯然傳統(tǒng)的接觸式測溫法已經(jīng)不適合了。而比色光纖溫度計可以很好的適應(yīng)高溫鑄造爐溫度測量的要求。它反應(yīng)靈敏，精確度高，可以很好的快速測量爐內(nèi)的溫度，并加以及時的調(diào)整。</p

7、><p>　　比色光纖溫度計是通過測量兩個波長的單色輻射亮度之比值來確定物體溫度的儀表。屬于非接觸式溫度傳感器。根據(jù)黑體輻射基本定律的維恩公式，溫度為T的黑體,對應(yīng)波長為λ1和λ2的光譜輻射亮度之比R 可用下式表示：該式即為比色溫度計的分度公式。當(dāng)黑體的兩個波長λ1和λ2的輻射亮度之比等于實際物體的相應(yīng)亮度比時，黑體的溫度就稱為實際物體的比色溫度。對于絕對黑體和灰體，比色溫度即為真實溫度。對于不滿足絕對黑體和灰體輻射

8、條件的實際物體還應(yīng)采用修正方法來求出真實溫度。</p><p>　　比色光纖溫度計分為光路部分和電路部分。光路部分主要由聚光鏡頭、分光部分和波長選擇部分組成。電路部分主要由光電轉(zhuǎn)換、放大電路、計算機(jī)和顯示部分組成。非接觸式測溫探頭匯集其視場內(nèi)目標(biāo)物體的輻射能量，將輻射體的輻射能由光學(xué)透鏡耦合進(jìn)石英光纖，經(jīng)光纖傳輸于遠(yuǎn)端分成兩路經(jīng)過濾光后到達(dá)探測器，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過信號處理，把電壓信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度值。&l

9、t;/p><p>　　非接觸式光纖探頭就是設(shè)計一套固定焦距、長景深的聚光透鏡系統(tǒng), 將高溫物體輻射的光信號聚焦進(jìn)傳輸光纖, 它不受測溫溫度的限制, 應(yīng)用非常廣泛。</p><p>　　光耦合器光耦合器包括圓柱形金屬外殼、透鏡和光纖束組成。為了提高聚焦的效率, 同時不對目標(biāo)尺寸有過分的限制, 使用了一個透鏡, 把被測目標(biāo)聚焦到光纖端面上。接收目標(biāo)上軸向點的輻射角的大小以及探測器的輻照度由透鏡的外

10、露直徑所確定，而探測器的有效面積決定了視野。</p><p>　　輻射光沿多模光纖傳輸, 至電子信號處理單元處, 為保證光電探測器探測到單一波長的輻射光, 在光電探測器前端加一窄帶干涉濾光片, 以確定有效波長[ 6]。經(jīng)不同探測器形成 2 路探測信號, 通過光電轉(zhuǎn)換得到 2 路與被測溫度信號呈線性關(guān)系的電壓信號, 此 2 路電信號分別通過交流放大濾波,以提高信噪比和測量精度。同時, 在光纖末端加入擾模器，可以部

11、分消除因光纖彎曲、扭轉(zhuǎn)等不定因素所帶來的隨機(jī)傳輸損耗, 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。再通過信號的采樣保持、A/D（模/ 數(shù)） 轉(zhuǎn)換; 最后進(jìn)入微處理器系統(tǒng), 通過對這2 路數(shù)字信號的分析計算得出比值, 與已固化在程序存貯器中的標(biāo)準(zhǔn)溫度值進(jìn)行比較、計算, 得到溫度值。</p><p>　　把得到的溫度通過單片機(jī)處理轉(zhuǎn)換得出輸出信號對鑄造爐電源開關(guān)進(jìn)行控制，從而控制溫度的變化。</p><p>　　單片

12、機(jī)控制開關(guān)電源，單從對電源輸出的控制來說，可以有幾種控制方式。其一是單片機(jī)輸出一個電壓（經(jīng)DA芯片或PWM方式），用作電源的基準(zhǔn)電壓。這種方式僅僅是用單片機(jī)代替了原來的基準(zhǔn)電壓，可以用按鍵輸入電源的輸出電壓值，單片機(jī)并沒有加入電源的反饋環(huán)，電源電路并沒有什么改動。這種方式最簡單。其二是單片機(jī)擴(kuò)展AD，不斷檢測電源的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差，調(diào)整DA的輸出，控制PWM芯片，間接控制電源的工作。這種方式單片機(jī)已加入到電源的反饋

13、環(huán)中，代替原來的比較放大環(huán)節(jié)，單片機(jī)的程序要采用比較復(fù)雜的PID算法。 其三是單片機(jī)擴(kuò)展AD，不斷檢測電源的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差，輸出PWM波，直接控制電源的工作。以上的幾種方法可以按實際的情況進(jìn)行選擇。</p><p>　　對于個人而言，通過此次設(shè)計,通過查找文獻(xiàn)資料，使自己在資料搜集與分類中對資料的歸納、分析、綜合運用能力上得到了極大的提高，為今后從事各種科研活動起了極大幫助的鋪墊作用。更好

14、的掌握了傳感器與檢測技術(shù)，電力電子技術(shù)，單片機(jī)的應(yīng)用等使自己對高溫的測量和監(jiān)控等專業(yè)知識水平得到提高，并且通過實物的制作以及實物的調(diào)試使用鍛煉實驗動手能力。為自己的四年的大學(xué)學(xué)習(xí)生活劃上一個圓滿的句號！</p><p>　　二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：</p><p><b>　　基本內(nèi)容：</b></p><p>　　1.要求以比色

15、光纖為主要材料、電阻、電容、電感等元件為基礎(chǔ)；</p><p>　　2.電子系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)要求完成硬件設(shè)計，制作溫度計，調(diào)試；</p><p>　　3.最終經(jīng)過調(diào)試、校檢完成設(shè)計要求。</p><p>　　設(shè)計難點（主要問題）：</p><p>　　1．以比色光纖為主要材料、電阻、電容、電感等元件為基礎(chǔ)，完成比色光纖溫度計的設(shè)計與制作；<

16、/p><p>　　2.比色光纖溫度計功能調(diào)試。在對1500攝氏度以上的高溫進(jìn)行測量并顯示精確的溫度值。</p><p>　　3.在達(dá)到合適溫度時，遙控開關(guān)停止加熱。</p><p>　　三、研究步驟、方法及措施：</p><p>　　1.理解高溫鑄造爐溫度檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)；</p><p>　　2.理解高溫鑄造爐對溫度檢

17、測的特殊要求；</p><p>　　3.理解常用的熱電偶測溫的弊端；</p><p>　　4.掌握單模光纖的工作原理；</p><p>　　5.以比色光纖為主要材料，完成高溫鑄造爐溫度數(shù)據(jù)的檢測、傳輸和放大部分的設(shè)計、制作與測試。</p><p>　　6.當(dāng)溫度符合要求時能遙控開關(guān)停止加熱。</p><p><b

18、>　　四、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　王幸之，鐘愛琴，王雷，等. AT89系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社.，2005</p><p>　　毛謙敏. 單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京：國防工業(yè)出版社， 2005年</p><p>　　鄭學(xué)堅，周斌．微型計算機(jī)原理及應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，200

19、5</p><p>　　余錫存，曹國華．單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]. 西安： 西安電子科技大學(xué)出版社. 2006</p><p>　　顧德英，張健，馬淑華. 計算機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京：北京郵電大學(xué)出版社. 2006</p><p>　　齊志才，張志良，馬彪. 單片機(jī)原理與控制技術(shù)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社.2005</p><p>

20、　　姜志海. 單片機(jī)原理及應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社[M]. 2005</p><p>　　吳黎明. 單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社. 2005</p><p>　　Bhatt R P. Magnetic flinted based smart centrifugal switch [J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materi

21、als, 2002，34(2)：56-67.</p><p>　　范新有，民用鍋爐溫度測控儀的研制與開發(fā)[D]. 西安：西安交通大學(xué).2001.</p><p>　　王雷，單片機(jī)軟件三重監(jiān)視抗干擾技術(shù)[J]. 北京：工業(yè)儀表與自動化裝置.2000,24(3):23-28.</p><p>　　Karimi M，Mokhtari H，Iravani R．Wavelet