光纖熒光接觸式測溫系統(tǒng)研究及實現(xiàn)

孫 巖

（福建省計量科學(xué)研究院，福州 350003）

在科學(xué)實驗研究和工業(yè)生產(chǎn)控制當中，對溫度的檢測都尤為重要，其不僅反應(yīng)了被測量參數(shù)，還關(guān)系著其他相關(guān)物理量信息以及整個生產(chǎn)控制的運行，因此對溫度的測量要求在不斷提高。在當前常用的測溫方法當中，熱電偶、熱電阻以及其他類型的溫度傳感器，通過測量傳遞電信號來獲得被測量，在高電壓、大電流的工作環(huán)境中易受到影響[1-2]。紅外測溫儀非接觸式測溫方法需要知道被測物體的發(fā)射率，對測量環(huán)境也有很高的要求[2]。光纖熒光測溫技術(shù)的發(fā)展，為高電壓、強電磁干擾等惡劣環(huán)境下的測溫提供了可能。

光纖熒光測溫技術(shù)具有電絕緣、耐高壓、安全性能高等優(yōu)點，同時光纖體積小可彎曲，便于安裝使用[3]。本文設(shè)計研究的光纖熒光壽命式溫度檢測系統(tǒng)，首先可以解決熱電阻類傳感器測溫方法的局限，使系統(tǒng)應(yīng)用于更廣泛的測溫領(lǐng)域。其次系統(tǒng)光路以及電路的優(yōu)化設(shè)計考慮到商品化生產(chǎn)的需求，能夠?qū)崿F(xiàn)集成化使測溫系統(tǒng)易于實現(xiàn)。同時，數(shù)據(jù)處理方法的研究能夠?qū)崿F(xiàn)熒光壽命的誤差補償，從而提高測溫系統(tǒng)的檢測精度和穩(wěn)定性。

1 熒光測溫機理

熒光是一種光致發(fā)光現(xiàn)象，由入射光照射發(fā)光材料外部產(chǎn)生[4]。在發(fā)光材料分子吸收激勵光光能后，光子的能量使原子核周圍的一些電子發(fā)生能級躍遷，從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)。激勵光消失后，激發(fā)態(tài)電子在重新回到基態(tài)的過程中以熒光的形式自發(fā)輻射出多余能量，產(chǎn)生熒光余輝[5-6]。熒光余輝曲線的衰減規(guī)律可以用下式表示：

式中，I(t)為熒光強度；I0為激勵光關(guān)斷時熒光信號的初始光強；τ 為熒光壽命；t為測量時間。根據(jù)熒光能級理論以及玻爾茲曼分布定律，得到熒光壽命與溫度信息如下所示：

式中， ΔE為能級差；RE、RT、k為常數(shù)；T為絕對溫度?？梢姛晒鈮勖?隨溫度 T的變化而改變，呈反比關(guān)系[7]。因此，可以通過采樣熒光余輝曲線得到熒光壽命信息，從而實現(xiàn)溫度的檢測。

2 系統(tǒng)流程設(shè)計

依據(jù)光纖熒光壽命式測溫方法的原理分析，可以實現(xiàn)光纖熒光測溫系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。測溫系統(tǒng)主要由光路部分、電路部分以及數(shù)據(jù)分析部分構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)流程圖如圖1所示。

圖1 熒光測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

根據(jù)圖1可知，熒光測溫系統(tǒng)的具體工作原理為：光纖熒光傳感探頭接觸溫度測量點，系統(tǒng)硬件電路中的光源驅(qū)動電路來驅(qū)動激勵光源發(fā)出激勵光。激勵光通過濾光片進行光信號處理后，進入光纖傳至包含熒光材料的傳感探頭處。熒光材料受到激發(fā)后發(fā)出的熒光按照原光纖路徑傳至濾光片，經(jīng)過濾光后通過光電轉(zhuǎn)換電路進行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的電流信號再依次通過放大電路及濾波電路處理后采樣得到較平穩(wěn)的電信號，此電信號即為熒光余輝曲線。余輝曲線經(jīng)過壽命檢測算法等數(shù)據(jù)算法處理后得到熒光壽命與溫度擬合關(guān)系，從而轉(zhuǎn)化得到被測溫度。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 光路設(shè)計

光路的設(shè)計主要涉及傳感探頭設(shè)計和光信號傳輸設(shè)計，關(guān)系到信號的傳輸效率、傳輸損耗，以及光纖熒光溫度傳感器的體積等[8]。光路設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 光路傳輸設(shè)計

圖2 中，傳感探頭的設(shè)計將熒光材料與光纖緊密連接，實現(xiàn)受激信號的傳輸功能。其中熒光材料選擇了一種含銪元素的熒光粉，光纖選擇石英光纖。設(shè)計的傳感探頭滿足抗震、抗壓、抗化學(xué)腐蝕等實際應(yīng)用性能，并且體積輕巧，結(jié)構(gòu)嚴密。濾光片 1是薄膜干涉濾光片，起到的是分光片的作用，能夠使激勵光和熒光分離，即激勵光只能通過濾光片 1反射到凸透鏡上，而熒光可以透過濾光片 1。濾光片2的作用是濾除熒光中摻雜的少量紫外激勵光和雜散光，且將熒光直接反射到光電探測器上。此光路優(yōu)化設(shè)計占用空間小，器件放置容易，且能夠滿足低漏光、信號高效傳輸?shù)臉藴省?/p>

3.2 電路設(shè)計

電路設(shè)計主要由光源驅(qū)動電路、光電轉(zhuǎn)換電路、放大及濾波電路組成。

1）光源驅(qū)動電路

激勵光源的激發(fā)光譜范圍需要與熒光材料吸收光譜相匹配。根據(jù)選擇的稀土熒光材料的光譜特性，采用紫外發(fā)光二極管作為系統(tǒng)的激勵光源[9]?？烧{(diào)整光強的光源驅(qū)動電路如圖3所示。經(jīng)過三極管放大的周期性脈沖電流激勵紫外LED產(chǎn)生脈沖波，從而得到周期性熒光余輝曲線。

圖3 光源驅(qū)動電路

2）光電轉(zhuǎn)換電路

光纖熒光測溫系統(tǒng)中，選擇硅光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件，光信號轉(zhuǎn)換后的電流信號很小，因此還需要通過反饋電阻與運算放大器的連接實現(xiàn)I/V放大轉(zhuǎn)換。由于放大轉(zhuǎn)換電路中光電二極管和運算放大器工作時會產(chǎn)生熱噪聲和散粒噪聲[10]，會引起光電轉(zhuǎn)換信號的噪聲干擾，因此設(shè)計光電轉(zhuǎn)換電路時還需要注意反饋電阻、運算放大器等元器件的選擇。光電轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 光電轉(zhuǎn)換電路

3）放大濾波電路

光電轉(zhuǎn)換電路中由于要實現(xiàn)電流-電壓的轉(zhuǎn)換且電流信號較微弱，電路需要有較高的信噪比使信號盡量不失真，所以反饋電阻受到限制不能過大，致使轉(zhuǎn)換后的電壓信號依舊很小，不能滿足系統(tǒng)信號的采樣要求。因此在實際系統(tǒng)搭建中，需要通過二級電壓放大電路對電壓信號進行進一步放大，并配合濾波環(huán)節(jié)對信號進行處理，消除系統(tǒng)中高頻噪聲的干擾以提高系統(tǒng)信噪比。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)熒光壽命式測溫原理可知，與溫度直接相關(guān)的參數(shù)為熒光壽命，因此得到余輝曲線后需要通過數(shù)據(jù)處理獲得準確的熒光壽命，從而實現(xiàn)溫度的測量。

4.1 壽命檢測算法

實際工程應(yīng)用中，光纖熒光測溫系統(tǒng)存在空間雜散光以及光電轉(zhuǎn)換器件暗電流的影響，會對測得的熒光余輝曲線引入直流分量[11]，因此實際熒光余輝曲線應(yīng)表示為以下形式：

式中，I0為熒光初始光強；Id為直流分量；τ 為熒光壽命。由式（3）可知當采樣時間t趨近無窮遠時，采樣到的被測信號I(t)接近直流分量Id，因此系統(tǒng)采樣時可以在激勵光關(guān)斷較長時間后，測得輸出信號作為直流分量。

目前常用的熒光壽命檢測算法有傅里葉法、最小二乘法、積分法等，通過仿真實驗分析，適合本系統(tǒng)的檢測算法為積分法。積分法需要先將采樣到的余輝曲線減掉直流分量的影響，再對其進行積分，如下式：

4.2 壽命補償方法

理論上認為熒光余輝曲線呈指數(shù)形式衰減，但是在實際測溫系統(tǒng)應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，由于硬件電路中小慣性環(huán)節(jié)的影響，導(dǎo)致采樣的熒光余輝曲線呈非線性變化。因此，需要對熒光壽命進行補償以消除非線性影響。

1）數(shù)據(jù)模型建立

為了討論驗證補償方案的可行性，本文利用Matlab軟件中的Simulink組件搭建熒光光纖測溫系統(tǒng)仿真模型。根據(jù)模型輸出的余輝衰減曲線數(shù)據(jù)，對曲線進行采樣區(qū)間依次遞推。利用積分法來求取各遞推區(qū)間熒光壽命，得到有慣性環(huán)節(jié)影響的實際遞推區(qū)間熒光壽命與無慣性環(huán)節(jié)影響的理想遞推區(qū)間熒光壽命對比信息，如圖5所示（圖中給定熒光壽命為3ms）。

圖5 實際情況與理想情況熒光壽命對比

2）壽命補償策略分析

根據(jù)上述分析，可以將得到的有慣性環(huán)節(jié)影響的熒光壽命作為預(yù)估壽命τ0（按照實際工程可選擇幾段指數(shù)性較好的遞推區(qū)間的壽命平均作為τ0），然后根據(jù)預(yù)估壽命信息進一步得到補償信息進行補償以得到準確壽命。結(jié)合大量仿真實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，可以采用多項式補償策略和模糊補償策略兩種方法進行熒光壽命的補償處理，具體方案流程圖如圖6所示。

圖6 補償策略

根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，若在不同熒光壽命下改變采樣點時光強差的變化趨勢相同，則可將光強差delta與采樣點ti及預(yù)估壽命τ0的關(guān)系擬合成多項式delta=a(τ0)ti+b(τ0)，然后直接從余輝曲線光強處進行多項式補償。多項式補償方案具體步驟為首先得到預(yù)估壽命τ0后，將τ0和采樣點時刻 ti均代入擬合公式delta=f (τ0, ti)中，得到采樣時刻為ti時余輝曲線需要補償?shù)墓鈴姴?，對光強進行補償后即可得到無慣性環(huán)節(jié)影響的準確余輝曲線，從而通過壽命檢測算法得到準確熒光壽命τ?？紤]到溫度檢測系統(tǒng)中采樣的是反映熒光余輝的光信號，具有時變性，因此也可以應(yīng)用模糊策略，通過對隸屬度函數(shù)的選擇以及模糊控制規(guī)則的確定，實現(xiàn)對熒光壽命的誤差補償。其具體步驟為根據(jù)積分法得到預(yù)估壽命τ0后，將其作為模糊策略輸入信息輸入到建立的模糊結(jié)構(gòu)中，得到輸出的補償信息Δτ。然后對預(yù)估壽命進行智能化的誤差補償即得到準確的熒光壽命τ。本系統(tǒng)應(yīng)用的模糊結(jié)構(gòu)為雙輸入單輸出的推理系統(tǒng)[12-13]。

3）補償結(jié)果對比

利用部分仿真實驗數(shù)據(jù)對上述兩種補償方法進行結(jié)果驗證，誤差結(jié)果絕對值對比如圖7所示。

圖7 補償方法結(jié)果對比圖

根據(jù)圖7可知，兩種補償方法都可以在一定程度上補償預(yù)估壽命與理想壽命之間的誤差。按照實際工程經(jīng)驗，溫度變化 1℃時熒光壽命大約變化0.006ms。將上述熒光壽命偏差換算成溫度偏差，多項式補償方法最大偏差約為1.5℃，模糊補償方法最大偏差約為0.5℃。因此，模糊補償?shù)难a償效果更適合本系統(tǒng)應(yīng)用。

5 整機實驗測試

利用Labview編寫熒光光纖測溫程序可以實現(xiàn)在線監(jiān)測，配置恒溫油槽、精密水銀溫度計等設(shè)備自主搭建整機實驗測試平臺，對熒光光纖溫度檢測系統(tǒng)進行溫度測量結(jié)果檢驗。從室溫開始對恒溫油槽進行間隔溫度點升溫，將光纖傳感探頭和水銀溫度計置于其中，待測溫結(jié)果穩(wěn)定后，記錄下溫度計與測溫系統(tǒng)的測量結(jié)果。以各個溫度點下溫度計的測量結(jié)果為橫坐標，測溫系統(tǒng)的誤差結(jié)果為縱坐標，繪出重復(fù)性測量結(jié)果的誤差曲線，如圖8所示。

圖8 實驗測試結(jié)果分析

單個溫度點下，多次測量結(jié)果的標準差σ 為

式中，n為測量的次數(shù)；Ti為第i次的測量結(jié)果；T為n次測量結(jié)果的平均值。根據(jù)測量數(shù)據(jù)可以計算得到測溫范圍內(nèi)σmax約為0.3℃，符合系統(tǒng)要求。同時從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，單個溫度點下，多次測量結(jié)果的相對誤差一定范圍內(nèi)收斂，說明測量結(jié)果的穩(wěn)定性較好，系統(tǒng)可以實現(xiàn)在穩(wěn)定狀態(tài)下的連續(xù)測溫。若研發(fā)完成的溫度檢測系統(tǒng)要滿足商品化的應(yīng)用需求，在完成自主整機實驗測試后，還需要到有資質(zhì)的計量檢定機構(gòu)進行計量器具的檢定或校準，以完成國家基準的量值溯源和量值傳遞。

6 結(jié)論

設(shè)計完成的熒光光纖接觸式測溫系統(tǒng)可以實現(xiàn)0～200℃的連續(xù)測溫，測溫性能良好。光路以及電路的優(yōu)化設(shè)計可以滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，可用于電力行業(yè)、化工行業(yè)等常規(guī)溫度傳感器難以應(yīng)用的場合及各種惡劣環(huán)境，在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用前景[14-15]。

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