基于熒光光譜的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李彥 王艷紅 張陳 魏艷龍

【摘要】本文基于光纖熒光的測溫機(jī)理介紹了測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及熒光信號檢測電路，利用該系統(tǒng)通過檢測熒光物質(zhì)壽命實(shí)現(xiàn)了溫度測量。本系統(tǒng)能夠?qū)Ρ粶y對象進(jìn)行精準(zhǔn)度較高的溫度檢測。

【關(guān)鍵詞】熒光光纖;熒光信號檢測;溫度測量

1.引言

溫度是一個(gè)重要的物理量，在生產(chǎn)生活和科研領(lǐng)域扮演著十分重要的角色。測溫方法有很多，應(yīng)用最多的是根據(jù)某些物理化學(xué)測量值與溫度的函數(shù)關(guān)系間接測量得到溫度[1]。

科技的發(fā)展使工業(yè)生產(chǎn)和某些領(lǐng)域需要高精度的溫度條件，這要求測溫系統(tǒng)響應(yīng)快，精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)。利用熒光、光纖等材料的固有特性配合光電探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)測溫簡單有效。光纖熒光測溫系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)物體表面溫度的測量，還能測量物體內(nèi)部的溫度，或者監(jiān)測某特定區(qū)域的溫度[2]。

2.測溫原理

熒光材料受到一定能量的光激發(fā)使熒光材料發(fā)出熒光，當(dāng)激勵(lì)光停止發(fā)射時(shí)，熒光的發(fā)光持續(xù)時(shí)間取決于激發(fā)態(tài)壽命。在某特定溫度范圍內(nèi)，當(dāng)熒光物質(zhì)受激產(chǎn)生熒光，其熒光衰減時(shí)間和熒光強(qiáng)度會表現(xiàn)出一定的溫度相關(guān)性，熒光測溫的機(jī)理就表現(xiàn)在溫度相關(guān)性上[3]。

在熒光物質(zhì)受激產(chǎn)生熒光的過程中，將其中某個(gè)受溫度影響的參數(shù)調(diào)制成溫度的單值函數(shù)，就可以利用這種關(guān)系測量溫度。熒光物質(zhì)被能量高的光照射激發(fā)出的熒光強(qiáng)度會隨時(shí)間成指數(shù)規(guī)律衰減[3-4]：

（1.1）

式中，I0是t=0s時(shí)的熒光強(qiáng)度;τ為熒光壽命，它是熒光材料的特性參數(shù)，熒光衰減曲線如圖1所示。

圖1 熒光衰減曲線

熒光壽命與溫度的關(guān)系[4]：

（1.2）

式中，Rs、RT、k、△E為常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。

由此可見，熒光壽命τ是溫度的單值函數(shù)，隨著溫度的升高，熒光壽命減小，測得熒光壽命就可以得到溫度的值，因此，利用該方法測量溫度只取決于熒光壽命τ，與其他參數(shù)沒有關(guān)系。用這種方法測量熒光壽命從而獲得溫度值。

3.測溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

光纖熒光光譜測溫實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，系統(tǒng)采用的熒光材料為Cr3+：YAG晶體，把Cr3+離子摻入YAG（Y3Al5O12）制成溫度傳感探頭，一端置于測溫環(huán)境中，另一端連接石英光纖。使用藍(lán)色發(fā)光二極管作激勵(lì)光源。該系統(tǒng)主要包括五部分，首先激勵(lì)光源在壓控振蕩器調(diào)制下輸出，激勵(lì)光由透鏡耦合進(jìn)入光纖，濾光片除去雜散光后經(jīng)光纖耦合器成多路光纖激發(fā)熒光物質(zhì)，熒光信號進(jìn)入接收光纖，經(jīng)光纖耦合器和濾光片后被光電探測器探測，熒光信號被放大和濾波后進(jìn)入雙參考信號鎖相環(huán)檢測電路，輸出頻率被輸入到單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)計(jì)算熒光壽命，進(jìn)而得到目標(biāo)溫度值，最后通過顯示裝置顯示所測得的溫度值。

4.熒光信號檢測電路設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)光源驅(qū)動電路

本系統(tǒng)采用周期性的驅(qū)動電路來驅(qū)動激勵(lì)光，以產(chǎn)生周期性變化的熒光，然后使用采集電路檢測熒光壽命。光源經(jīng)調(diào)制后會按一定規(guī)律激勵(lì)熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光，其相位比激勵(lì)光源滯后一個(gè)相位。圖3.1為LED光源的驅(qū)動電路，電路結(jié)構(gòu)簡單，使用的器件性能穩(wěn)定，功耗較低，可以滿足長時(shí)間驅(qū)動LED光源的要求。

圖2 光纖熒光光譜測溫系統(tǒng)

圖3.1 系統(tǒng)光源驅(qū)動電路

4.2 光電探測電路

激發(fā)光源照射熒光材料發(fā)出的熒光必須被實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的檢測出來，所以光電檢測器件需要響應(yīng)快，穩(wěn)定性好，靈敏度高。

4.2.1 I-U轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)探測到的熒光信號很微弱，需要高增益的放大器將光電探測器探測到的微弱光電流放大。因此，利用運(yùn)算放大器高增益性質(zhì)的電流—電壓變換器可以實(shí)現(xiàn)高阻抗放大器的功能而又不影響系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，圖3.2為I-U轉(zhuǎn)換電路。

圖3.2 I-U轉(zhuǎn)換電路

圖3.3 信號放大電路

4.2.2 信號放大電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的放大電路由低失調(diào)、低漂移、低噪聲，非斬波穩(wěn)零的OP07雙極性精密運(yùn)算放大器及電阻、電容來組成，如圖3.3所示。

4.2.3 濾波電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的熒光信號是某個(gè)波段的光信號，則必須采用帶通濾波電路采集有用信號，提高系統(tǒng)的信噪比，圖3.4為系統(tǒng)采用的濾波電路。

4.2.4 移相電路

在脈沖調(diào)制的雙參考信號鎖相環(huán)路中，為能夠得到真實(shí)的熒光信號，需要設(shè)計(jì)延遲電路使得參考信號和熒光信號同步，才能同時(shí)經(jīng)過乘法器獲得正確的信號。移相電路如圖3.5所示。

圖3.4 濾波電路設(shè)計(jì)

圖3.5 延時(shí)電路

圖3.6 鎖相檢測電路

表1 不同溫度下的熒光壽命值

溫度

（℃） 熒光壽命

（ms） 溫度

（℃） 熒光壽命（ms）

10 2.943 30 2.805

50 2.689 70 2.644

90 2.537 110 2.445

130 2.264 150 2.122

170 1.968 190 1.784

210 1.661 230 1.517

250 1.283 270 1.252

290 1.168 310 1.093

330 1.045 350 0.958

370 0.884 390 0.808

410 0.709 430 0.612

450 0.522

4.2.5 鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的電路是CD4046B微功耗鎖相環(huán)集成電路。鎖相檢測電路如圖3.6所示。

經(jīng)過濾波電路后，信號中的隨機(jī)干擾和噪聲被濾除，信號進(jìn)入鎖相環(huán)路，環(huán)路鎖定后，輸出頻率作為控制信號，通過V-MOS場效應(yīng)管控制激發(fā)光源的驅(qū)動電路，使熒光材料發(fā)出周期性的熒光，同時(shí)輸出頻率被送往單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，然后得出所測目標(biāo)的溫度值。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)需先測得不同溫度下該材料的熒光壽命，然后存入數(shù)據(jù)表中，在測量時(shí)，先取得熒光壽命，然后在程序中用查表的方法取得溫度值。表1和表2分別給出了不同溫度下的熒光壽命值和探頭的熒光壽命值。

表2 不同溫度下探頭的熒光壽命值

溫度

（℃） 熒光壽命

（ms） 溫度

（℃） 熒光壽命

（ms）

10 2.942 30 2.804

50 2.688 70 2.643

90 2.536 110 2.444

130 2.262 150 2.120

170 1.968 190 1.785

210 1.662 230 1.517

250 1.282 270 1.250

290 1.166 310 1.092

330 1.044 350 0.957

370 0.886 390 0.807

410 0.715 430 0.606

450 0.503

如圖4.1給出了熒光壽命與溫度的關(guān)系，圖4.2是經(jīng)過探頭后熒光壽命與溫度的關(guān)系圖。比較圖4.1和圖4.2，在0-400℃范圍內(nèi)，兩曲線相差不大，但在400℃-450℃范圍內(nèi)，差別開始明顯，原因是熒光強(qiáng)度隨溫度升高而減弱，并且溫度升高時(shí)熒光壽命減小，壓控振蕩器輸出頻率ω逼近ω0時(shí)間變長，環(huán)路鎖定的時(shí)間變長，系統(tǒng)的整體響應(yīng)變慢。由圖2知，熒光壽命隨著溫度的升高而下降，10℃時(shí)，熒光壽命約為3ms，而450℃時(shí)，熒光壽命約為0.5ms，信號處理電路的時(shí)間分辨率約為2μs，系統(tǒng)平均溫度分辨率約為0.4℃。溫度升高分辨率下降是因?yàn)闊晒庑盘柕膹?qiáng)度隨溫度的升高而減弱，且熒光物質(zhì)的熱輻逐漸增大，雜質(zhì)信號也逐漸增大，信號中有用信號的比率下降，導(dǎo)致誤差越來越大。

圖4.1 熒光壽命與溫度的關(guān)系（Cr3+：YAG）

圖4.2 熒光壽命與溫度的關(guān)系（經(jīng)過探頭）

6.結(jié)論

本文通過熒光壽命計(jì)算出相應(yīng)的溫度，實(shí)現(xiàn)對溫度的絕對測量。該系統(tǒng)結(jié)合相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)采集單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊控制，操作比較簡單，可以及時(shí)測量并存儲數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的智能化。同時(shí)系統(tǒng)對溫度的測量具有準(zhǔn)確度高、抗電磁干擾、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中優(yōu)勢明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]張友俊，胡文豪，湯偉中.熒光光纖溫度傳感器原理性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制[J].傳感器技術(shù)，1997，16（2）：7-9.

[2]關(guān)曉平.一種新型的熒光光纖溫度測量系統(tǒng)[J].傳感器技術(shù)，2001，20（4）：20-22.

[3]K.T.V.Grattan and Z.Y.Zhang.Fiber optic flurescence thermometry.London：CHAPMAN & HALL，1995：1-200.

[4]J.Castrellon-Uribe，G.Paez，M.Strojnnik.Radiometric analysis of a fiber optic temperature sensor.SPIE.2002，（4486）：164-169.

作者簡介：李彥（1989—），女，中北大學(xué)碩士研究生在讀，主要研究方向：光譜測溫。