比色光纖測(cè)溫儀設(shè)計(jì)（控制部分）【開題報(bào)告】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告</b></p><p><b>　　電氣工程及其自動(dòng)化</b></p><p>　　比色光纖測(cè)溫儀設(shè)計(jì)（控制部分）</p><p>　　一、綜述本課題國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義</p><p>　　溫度是一個(gè)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(gè)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(cè)量。</p><p>　　最早的溫度計(jì)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(jì)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(shí)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(huì)上下移動(dòng)，根據(jù)移動(dòng)的多少就可以判定溫度的變化和溫度的高低。溫度

3、計(jì)有熱脹冷縮的作用所以這種溫度計(jì)，受外界大氣壓強(qiáng)等環(huán)境因素的影響較大，所以測(cè)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(gè)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(jì)，他把玻璃泡的體積縮小，并把測(cè)溫物質(zhì)改為水銀，這樣的溫度計(jì)已具備了現(xiàn)在溫度計(jì)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(cè)量物

4、質(zhì)，制造了更精確的溫度計(jì)。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(cè)溫技術(shù)也不斷地改進(jìn)和提高。由于測(cè)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(cè)溫儀器。</p><p>　　測(cè)量溫度的方法很多，按照測(cè)量體是否與被測(cè)介質(zhì)接觸，可分為接觸式測(cè)溫法和非接觸式測(cè)溫法兩大類。</p><p>　　接觸式測(cè)溫法的特點(diǎn)是測(cè)溫元件直接與被測(cè)對(duì)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(shí)感

5、溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測(cè)對(duì)象的溫度值。這種方法優(yōu)點(diǎn)是直觀可靠，缺點(diǎn)是感溫元件影響被測(cè)溫度場(chǎng)的分布，接觸不良等都會(huì)帶來測(cè)量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)對(duì)感溫元件的性能和壽命會(huì)產(chǎn)生不利影響。</p><p>　　非接觸式測(cè)溫法的特點(diǎn)是感溫元件不與被測(cè)對(duì)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(cè)溫法的缺點(diǎn)，具有較高的測(cè)溫上限。此外，非接觸式測(cè)溫法熱慣性小，可達(dá)1/1000S，故便于測(cè)量運(yùn)動(dòng)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(cè)對(duì)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(cè)溫誤差較大。</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)的目的是測(cè)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(cè)溫法已經(jīng)不適合了。而比色光纖溫度計(jì)可以很好的適應(yīng)高溫鑄造爐溫度測(cè)量的要求。它反應(yīng)靈敏，精確度高，可以很好的快速測(cè)量爐內(nèi)的溫度，并加以及時(shí)的調(diào)整。</p

7、><p>　　比色光纖溫度計(jì)是通過測(cè)量兩個(gè)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(duì)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(jì)的分度公式。當(dāng)黑體的兩個(gè)波長λ1和λ2的輻射亮度之比等于實(shí)際物體的相應(yīng)亮度比時(shí)，黑體的溫度就稱為實(shí)際物體的比色溫度。對(duì)于絕對(duì)黑體和灰體，比色溫度即為真實(shí)溫度。對(duì)于不滿足絕對(duì)黑體和灰體輻射

8、條件的實(shí)際物體還應(yīng)采用修正方法來求出真實(shí)溫度。</p><p>　　比色光纖溫度計(jì)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(jì)算機(jī)和顯示部分組成。非接觸式測(cè)溫探頭匯集其視場(chǎng)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(cè)器，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過信號(hào)處理，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度值。&l

9、t;/p><p>　　非接觸式光纖探頭就是設(shè)計(jì)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(hào)聚焦進(jìn)傳輸光纖, 它不受測(cè)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(shí)不對(duì)目標(biāo)尺寸有過分的限制, 使用了一個(gè)透鏡, 把被測(cè)目標(biāo)聚焦到光纖端面上。接收目標(biāo)上軸向點(diǎn)的輻射角的大小以及探測(cè)器的輻照度由透鏡的外

10、露直徑所確定，而探測(cè)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(hào)處理單元處, 為保證光電探測(cè)器探測(cè)到單一波長的輻射光, 在光電探測(cè)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(cè)器形成 2 路探測(cè)信號(hào), 通過光電轉(zhuǎn)換得到 2 路與被測(cè)溫度信號(hào)呈線性關(guān)系的電壓信號(hào), 此 2 路電信號(hào)分別通過交流放大濾波,以提高信噪比和測(cè)量精度。同時(shí), 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(hào)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(duì)這2 路數(shù)字信號(hào)的分析計(jì)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(jì)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(hào)對(duì)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(duì)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(gè)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(dòng)。這種方式最簡(jiǎn)單。其二是單片機(jī)擴(kuò)展AD，不斷檢測(cè)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(cè)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(shí)際的情況進(jìn)行選擇。</p><p>　　對(duì)于個(gè)人而言，通過此次設(shè)計(jì),通過查找文獻(xiàn)資料，使自己在資料搜集與分類中對(duì)資料的歸納、分析、綜合運(yùn)用能力上得到了極大的提高，為今后從事各種科研活動(dòng)起了極大幫助的鋪墊作用。更好

14、的掌握了傳感器與檢測(cè)技術(shù)，電力電子技術(shù)，單片機(jī)的應(yīng)用等使自己對(duì)高溫的測(cè)量和監(jiān)控等專業(yè)知識(shí)水平得到提高，并且通過實(shí)物的制作以及實(shí)物的調(diào)試使用鍛煉實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。為自己的四年的大學(xué)學(xué)習(xí)生活劃上一個(gè)圓滿的句號(hào)！</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(jì)根據(jù)要求完成硬件設(shè)計(jì)，制作溫度計(jì)，調(diào)試；</p><p>　　3.最終經(jīng)過調(diào)試、校檢完成設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　設(shè)計(jì)難點(diǎn)（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(jì)的設(shè)計(jì)與制作；<

16、/p><p>　　2.比色光纖溫度計(jì)功能調(diào)試。在對(duì)1500攝氏度以上的高溫進(jìn)行測(cè)量并顯示精確的溫度值。</p><p>　　3.在達(dá)到合適溫度時(shí)，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(cè)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)；</p><p>　　2.理解高溫鑄造爐對(duì)溫度檢

17、測(cè)的特殊要求；</p><p>　　3.理解常用的熱電偶測(cè)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(cè)、傳輸和放大部分的設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試。</p><p>　　6.當(dāng)溫度符合要求時(shí)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(jì)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社， 2005年</p><p>　　鄭學(xué)堅(jiān)，周斌．微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，200

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