基于單片機的光纖高溫計的研究與設計

1 引言

高溫區（800-2000K）的精確測量已成為科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中的重要課題。目前主要測量方法有接觸式的熱電偶溫度計和非接觸式的輻射溫度計。與熱電偶溫度計和輻射式溫度計相比，光纖高溫計不僅提高了接觸法測溫的測量上限，延長(cháng)了使用壽命，而且避免了輻射式測溫的較大誤差[1]，提高了測量精度。藍寶石（單晶氧化鋁）光纖具有高達2050℃的熔點(diǎn)，采用藍寶石光纖制作高溫傳感器，利用單片機控制進(jìn)行比色測溫，同時(shí)，由通信系統將測量結果傳到控制網(wǎng)絡(luò )，基本可以滿(mǎn)足高溫測量的需求。

2 藍寶石光纖高溫計測溫原理

藍寶石光纖高溫計是以黑體輻射理論為基礎的溫度傳感器。傳感器探頭是在單晶藍寶石光纖的一端制作封閉的圓柱形黑體腔，當黑體腔被置入待測溫場(chǎng)后，腔體與外界溫場(chǎng)達到熱平衡狀態(tài)，并發(fā)出黑體輻射信號，根據普朗克定律，藍寶石光纖黑體腔置于溫度為 的區域時(shí)，其單色輻射能通量為

只要求出兩路光強比值，就可計算出被測物體的溫度。

3 藍寶石光纖高溫計的設計

藍寶石光纖測溫系統的結構如圖1所示。系統由藍寶石光纖黑體腔、傳光光纖、光纖耦合器、波分復用器、光電探測器、放大器、A/D轉換裝置、單片機、輸出設備和網(wǎng)絡(luò )接口等組成。傳感器是在藍寶石光纖上制作的耐高溫黑體腔，黑體腔發(fā)出的光信號由藍寶石光纖耦合到傳光的石英光纖，然后經(jīng)波分復用器分成兩路不同波長(cháng)的光信號，分別通過(guò)探測器轉換為電信號，電信號再經(jīng)放大、A/D轉換進(jìn)入單片機進(jìn)行比色法的數據處理，最后由顯示器輸出測量結果。高溫計可通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)接口接入控制網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現通信功能。

圖1 藍寶石測溫系統結構圖

4 光纖高溫探頭的結構分析

探頭是高溫計的關(guān)鍵部分，探頭的性能決定了高溫計測溫的上限、精度、重復性和穩定性。由于探頭直接接觸高溫環(huán)境，所以對它的性能要求非常高。理想的高溫探頭應具備熱輻射能力強、動(dòng)態(tài)響應快、體積小等特點(diǎn)。因為黑體能夠吸收全部入射輻射能并能完全發(fā)射出去，所以用燒結法在藍寶石光纖一端形成一層氧化鋯鍍層，包圍藍寶石光纖形成一個(gè)圓柱腔，選擇合適的參數，可以使這個(gè)腔的輻射特性接近理想黑體的輻射特性，這樣形成的圓柱型黑體腔就是藍寶石光纖高溫探頭。當黑體腔長(cháng)度與直徑之比為10時(shí)，其發(fā)射率大于0.99，探頭黑體腔十分接近理想黑體。同時(shí)，在較寬的溫度范圍內，數值變化極小，即黑體腔具有穩定的熱輻射。如果取更大的長(cháng)度值，不但輻射強度不能增加，而且，黑體腔不再是等溫腔，熱容量增大造成測量靈敏度下降，空間分辨率降低。所以，若藍寶石光纖直徑為 0.7mm，探頭鍍膜的長(cháng)度為7mm。黑體腔的厚度要盡可能薄以提高它的熱響應頻率。

5 波分復用器

石英光纖傳出的光信號要進(jìn)行分束，選取兩個(gè)不同波長(cháng)的輻射光波進(jìn)行比色法測溫，通常用分光鏡和干涉濾光片進(jìn)行分光。由于插入損耗非常大，使光纖中本來(lái)就不強的信號更加微弱，檢測十分困難。另外，干涉濾光片和分光棱鏡的體積大，結構復雜，可靠性低，與光纖不兼容。采用全光纖波分復用器，入射光波中不同波長(cháng)的光波分別進(jìn)入不同的傳輸光纖，只用一個(gè)器件就同時(shí)完成了光波的分束和濾波，減少了濾波損耗，提高了信噪比，在確保測量精度的同時(shí)，還降低了光電測量單元的成本。

全光纖波分復用器是一種對光波波長(cháng)進(jìn)行分離或合成的光無(wú)源器件，主要采用熔融拉錐法[2]制作，熔錐型全光纖波分復用器的原理是：器件在過(guò)耦合狀態(tài)下耦合比隨波長(cháng)而變，其耦合機理是強耦合理論。熔錐型器件中，拉錐的效果是使兩光纖纖芯靠近，使傳播場(chǎng)向外擴展，以便在相當短的錐體頸部區域出現有效的功率耦合。因為器件的耦合度與熔區的波導條件有關(guān)，所以是波長(cháng)的函數，當器件處于過(guò)耦合狀態(tài)時(shí)，器件的輸出特性與波長(cháng)的依賴(lài)關(guān)系逐漸增強，以至形成振蕩。于是這種過(guò)耦合狀態(tài)下的熔錐耦合器就具有波分復用的功能。

在光纖通訊中，為了信號的遠距離傳輸，選用了傳輸損耗小的單模光纖，通信中已有的采用單模光纖制備的波分復用器，雖然也可以避免干涉濾光片引起的插入損耗，但單模光纖的數值孔徑極小，只能接收到微弱的信號，同樣難以檢測，因此單模光纖波分復用分路器不適宜用于高溫傳感器中。在光纖傳感中，為了增加傳輸的信息量，應選用頻帶寬、數值孔徑大的多模光纖制備的波分復用分路器。

6 顯示與通信系統設計

由光電探測器輸出的電信號首先要經(jīng)過(guò)放大處理，再進(jìn)入A/D轉換器。單片機接收A/D轉換器輸出的數字信號，并計算兩路信號強度的比值。由于在光纖測溫系統中，信號強度比值與溫度之間為非線(xiàn)性關(guān)系，所以先要根據系統參數計算比值與溫度的對應值，列表存入存儲器內，實(shí)際測量時(shí)根據計算出的比值進(jìn)行查表，就可以得到相應的溫度。顯示器輸出測量溫度，現場(chǎng)總線(xiàn)接口設備用于實(shí)現測溫儀表與控制網(wǎng)絡(luò )的通信。

圖2為顯示與通信系統硬件結構圖。

圖2顯示與通信系統結構圖

單片機是信號處理的核心，完成控制、計算、查表、輸出和通信等功能。ATMEL公司的AT89C55具有256字節RAM，32線(xiàn)I/O，3個(gè)16 位定時(shí)器/計數器，6向量?jì)杉壷袛?，一個(gè)全雙工串行口。支持軟件選擇的兩種節電運行方式，空閑方式下，使CPU停止工作，而允許RAM、定時(shí)器/計數器、串行口和中斷系統繼續工作。掉電方式下，片內振蕩器停止工作，由于時(shí)鐘被凍結，一切功能停止，只有片內RAM的內容被保存，直到硬件復位才恢復正常工作，以最大的程度降低單片機本身的功耗。此外，AT89C55設有靜態(tài)邏輯，用于運行到零頻率。片內集成的20K字節的程序存儲器空間，使用戶(hù)無(wú)須再進(jìn)行程序存儲器的擴展。由單片機計算并查表得到的溫度值存放在RAM顯示緩沖區，由LED顯示器輸出。

現場(chǎng)總線(xiàn)是一種全數字的雙向多站點(diǎn)通信系統，每個(gè)節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )拓撲上都具有平等的地位，只是職能不同。執行測控任務(wù)的節點(diǎn)將采集到的數據和所執行的操作等信息轉換為數字信號向網(wǎng)上發(fā)送，執行管理任務(wù)的節點(diǎn)以數字形式向網(wǎng)上發(fā)送命令?，F場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品主要有 LONWORKS，CAN，PROFIBUS，HART，FF等。其中CAN總線(xiàn)是一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。由于其通信速率高，可靠性好，價(jià)格低廉等特點(diǎn)，特別適用于工業(yè)過(guò)程監控設備的互連。

CAN是一種多主總線(xiàn)，采用OSI底層的3層網(wǎng)絡(luò )結構——物理層、數據鏈路層和應用層。雖然通信協(xié)議比較復雜，但在開(kāi)發(fā)應用系統時(shí)可以將繁雜的協(xié)議撇開(kāi)，因為專(zhuān)用的CAN控制器芯片能夠完成物理層和數據鏈路層的全部功能，現場(chǎng)儀表只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的設計和編程，完成數據傳送和處理工作即可。

Philips公司的SJA1000是適用于控制器局域網(wǎng)的高集成度獨立控制器，具有完成CAN總線(xiàn)通信協(xié)議所要求的全部必要特性，可以完成物理層和數據鏈路層的所有功能。SJA1000內部配備42B的寄存器，使用了32個(gè)地址。這些地址可分為控制段、發(fā)送緩沖段和接收緩沖段。單片機與 SJA1000之間的狀態(tài)、控制和命令信號的交換在控制段中完成。單片機在初始化時(shí)將SJA1000設置為復位模式，通過(guò)對控制段編程以配置通信參數。在運行期間，單片機通過(guò)讀狀態(tài)寄存器了解網(wǎng)絡(luò )的狀態(tài)。

SJA1000由單片機通過(guò)8位地址數據復用總線(xiàn)和基本讀寫(xiě)控制信號進(jìn)行控制。SJA1000的中斷請求信號INT連至單片機的外部中斷輸入端，CAN控制器可通過(guò)中斷進(jìn)行數據通信。圖3為采用SJA1000的CAN總線(xiàn)接口。

圖3 CAN總線(xiàn)接口電路圖

SJA1000的發(fā)送輸出端TX0與接收輸入端RX0、RX1分別經(jīng)高速集成光電耦合器6N137隔離后與CAN總線(xiàn)接口驅動(dòng)芯片82C250相連，82C250直接與物理總線(xiàn)相連。82C250是CAN控制器和物理總線(xiàn)之間的接口，可驅動(dòng)110個(gè)同樣采用82C250作為總線(xiàn)接口的節點(diǎn)。普通光電耦合器中的光敏三極管不能達到1MB/s的響應速度，因此，必須采用高速光電耦合器6N137進(jìn)行光電隔離。6N137中采用了光敏二極管和門(mén)電路，可以滿(mǎn)足高速數字信號的傳輸。6N137的應用實(shí)現了CAN總線(xiàn)與節點(diǎn)弱電智能部分間的隔離，有助于提高節點(diǎn)裝置的安全性和可靠性。

7 主程序設計

主程序對系統的運行起著(zhù)調動(dòng)和監控的作用，主要功能為啟動(dòng)兩路A/D轉換、讀取兩路電壓數據、計算比值、查表求溫度值、送LED顯示、與CAN總線(xiàn)通信等。