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1、数字光电技术讲座报告题 目：光纤温度传感器系统设计院（系）专 业学 生学 号光纤温度传感器系统设计摘要：主要介绍了基于光纤温度传感器的测温系统的设计方案，分析了光纤温度传感器 和信号检测原理,最后用单片机实现数据采集和温度显示的控制。关键词:光纤温度传感器; 单片机一设计目的光纤传感器结构简单、体积小、质量轻、在易燃易爆和高温高压的场合下应用具有安全 可靠等特点,所以光纤传感器的开发研制倍受青睐,并获得广泛应用，如图一所示，是光纤传 感器测量系统，它可对电流、压力、温度、位移等量进行测量。本设计所研发的光纤温度传感器可用于各种场合的温度检测。光纤温度传感器一般分为 两类:一类是利用光导纤维本身
2、具有的某种敏感功能而使光纤起测量温度的作用,属于功能 型,光纤既感知信息,又传输信息;另一类是光导纤维只起到传输光的作用,必须在光纤端面 加装其它敏感元件才能构成新型传感器的传输型传感器.这两类的传感器工作原理和设计思 想非常巧妙,研究工作都较为入.本设计采用后一种类型的光纤温度传感器，在光纤端面加装 对折射率随温度而变化的透明材料，当光入射时就会因为折射率的不同使得进入光纤的光强 不同，这样就可以得出光强与温度的变化关系，然后采集所得的信号电压，再通过软件处理 就可以在数码管上显示温度信息，这样就可以完成对环境温度的探测。光纤光纤处川.H： .lUli1皿芒度a- I偏応制器图一一原理框图及
3、原理介绍 为了得到最好的信噪比和排除环境温度以外的因素对所得数据的影响，本设计采用接收 部分电路为两路：一路为参考信号，一路为实际信号；信号处理部分为一路，在同一时刻只 对一路信号进行测量，然后用相除的方法对两路信号进行处理，使得两路信号在时间上分开， 在空间上统一。这样就可以大大降低外界非温度因素对系统的影响，提高噪比。本系统原理 框图如下：klKi 1採玻大妙波*参母光纤方波发生器单JY机光纤温度传感器系统原理框图 本设计的光纤温度传感器系统有方波发生器、发射驱动电路、接收驱动电路、前置放大 电路、选通开关、放大滤波电路、同步相关电路、低通滤波电路、A/D采样电路、单片机和 显示单元等部分
4、构成。如原理框图所示，方波发生器产生方波通过驱动电路去驱动LED发光，LED发出的光分为 两路：一路直接通过参考光纤送至接收管；一路通过信号光纤送至探头，经探头后在通过光 纤送至接收管。两路信号分别通过各自的前置放大器使所接收到的信号放大。单片机对电子 开关的选通，使得两路信号分别通过放大滤波、同步相关、低通滤波电路，分别得到直流电压U、U，然后A/D采样，通过相除算法和线性拟合，最终得到电压和温度的关系式，再 12通过该关系求得所测得的温度，适时显示在数码管上。原理框图中：r(x) 为光纤温度探头材料折射率随温度变化参数，K ， K 为光纤的耦合系数，I1I2K 为实际信号接收端的接收系数，
5、SK 为参考信号接收端的接收系数，CQ、 Q 分别为两个接收管的接收系数 ，12K 、 K 分别为两路信号前置放大器的放大倍数，12K 为主放大器的放大倍数，U 为实际信号经处理后得到的直流电压，1U 为参考信号经处理后得到的直流电压2可得，U 二IK r(x)K QKK(1)1 I1S 1 1U 二IK K QKK.2 I 2 C 2 2(1)宁，得UKKQKU = K1二 I S勺1 r (x).(3)0UKKQK2I2C22由于K、K、K、K、Q、Q、K、K都是已知且其值很接近，所以U只与r(x)I1I2S C 12120成正比，这样就把单路所得的U、U与外界非温度因素相关的参数给除去了
6、，直接得到与 12温度相关的关系，排除了外界非温度因素的干扰，提高了信噪比。 采用该原理的优点：1. 通过交流信号去驱动LED，有利于后续的放大处理电路提高信噪比。2采用接收端两路，信号处理端一路，这样消除了干扰，提高了信噪比。3. 同步相关部分采用了锁相电路，使得非参考频率的噪声信号得以滤除，信噪比改善。二.原理图及对应功能分析1 . 方波发生器方波发生器的选择有： 方案一：采用555 定时器产生方波，如图二所示。方波周期T = t +1 , t = 0.693(R + R )C , t = 0.693R C1 2 1 A B 1 2 B 1 1t R + R频率f二-，占空比D = t =
7、 r A* 2RABU13CU13B534.2RRkk74F0474F0474F0411102i74F04方波频率为 3KHz,占空比为 1:1,所以R =5.1K, R =2.2K, C =47nF, C =O.luF。AB12方案二：采用与非门构成振荡器,如图三所示。U13E方波输出 1DlK1Jri LD2Kd.11U?B67、7uo511TL08LirCJR4图三频率由C和R 2决定，R1改变波形对称性。 方案三：采用运算放大器,如图四所示。U - U - U+ R )C In 2 f t 12 U - U + U2ftRU40R + R32R占空比D=一R + R12U：二极管正向压
8、降；U 2 :齐纳二极管齐纳压降以上三种方案各有特点，由于5 5 5定时器是常用的电路，使用方便，电路简单，所以 方波发生器采用方案一。2. LED驱动电路LED驱动电路采用晶体管9 0 13作为主要元件，电路图如图五所示，该电路结构简V -1.2 -0.3单，使用方便，是最常用的电路。其中集电极电流I = cc，图中二极管起温度R补偿作用。L3前置放大电路前置放大电路是把接收管接收光强后产生的电流信号转化为电压信号并进行放大，在功能上要求前置放大器有较高的信噪比。该方案有以下几种:方案一采用晶体管电路构成如图六所示。输出电压UocRf903Uli5 LI3NPNV(CR?RES2图六方案二：
9、高阻FET前置放大器，如图七所示。输出电压U = 0阻抗很大，输出阻抗很小。fI ，其特点是输入图七方案三：有运算放大器构成如图八所示。输出电压Uo 一R由晶体管构成的前置放大器和有高阻FET构成的前置放大器在电路结构上比由运算放大器够成的前置放大器复杂，而且运算放大器构成的前置放大在输入、输出阻抗和信噪比要求上能达到本系统的要求，所以采用方案三。根据系统设计指标参数取R =10 0Ko f4. 主放电路主放电路应具有放大与滤波功能，能进一步提高信噪比。由于是采用3KHz的低频方 波信号，所以系统采用的主放电路应有低通滤波功能。从电路的简单、实用性和调试的方便 性出发，本系统采用了由运算放大器
10、LM 3 5 3构成的主放大器，电路图如图九所示。其中，R1放大倍数K二 f，带宽B =，R二R /R。根据系统设计指标参数RW 2兀 R C eq i fif fK 二 100，低通 3 dB 带宽为 2 0 KHz,所以 Ri= 1K,Rf= 10 0K ,Cf=79.62pF ,Req=lk .5. 同步相关电路与低通滤波电路同步相关即锁相，如图十所示，V为信号电压，V为噪声电压，V为参考电压。 SnR图十V 二 V cos t+p)， V 二 cos( t + a)， V 二 cos( t)，S m R n n R R1V xV = cos(2 t + Q)+ cosqvS R 2 R mV x V 二 一cos( +o )t + Q + a)+ 一cos( 一)t + 申一a) n R 2 R n 2 R n一V x V和V x V通过低通滤波器后，最终得到直流电压小V cos)。S R n R 2 m由以上分析可知，同步相关电路可由模拟开关4 0 6 6构成,低通滤波器由LM 3 5 3构成, 具体电路如图十一所示。+V和一V是相位相反的方波，在同一时刻,G3和G2导通，G4RR和G断开，信号从下边路到低通滤波器；在下一时刻，G3和G2断开，G4和G导通，R2少信号从上边路到低通滤波器，这样低通滤波器输出端电压为V =-昔V (1-)，输出端0
