大学学生科研项目申请书光纤温度传感方法研究.doc

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1、编号： 江苏大学学生科研项目申请书课题名称：光纤温度传感方法研究申请者： 所在学院：电气信息工程学院 年级、专业:自动化1003 指导老师： 申请日期：2012-5-4 项目类别（在相应的类别上打）A、自然科学类论文 B、发明制作类 C、社会科学类论文 江苏大学学生科研立项管理委员会制 说 明l、申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2、表内项目填写时一律打印，此申报书可复制。3、编号由学生科研立项管理委员会统一填写。 4、申报作品有关材料请以打印件附于申请书后，申请书为A3纸双面复印中缝装订，一份，（活页部分单独装订），由所在单位审查签署意见、加盖公章后在规定时间内统一报送校团委

2、，团委不接受个人申报。 5、在前几批大学生科研课题立项中立项，但没有结题的同学，不得申报此次大学生科研课题。6、第十一批申报的“挑战杯”重点项目不适用本申报书。7、有关其他事宜请向校团委咨询。8、联系人：杜明拴（88780040）申请者姓 名任作为性 别男出生年月1991.09政治面貌团员所在学院电气信息工程学院专业年级自动化1003学 历本科联系电话18951281674其他联系方法18951281674申请者曾承担科研项目及完成情况课 题 名 称批准时间完成情况申请者本人近几年以来的主要研究成果（注明刊物的年、期或出版社、出版日期）合作者情况姓 名性别年龄学 历学 院专 业 班 级吴晨男2

3、2本科电气信息工程自动化1002申请者所在学院分管科研的领导对该项目的基本评价 签章： 年 月 日学院意见 签章： 年 月 日编号： 江苏大学学生科研项目申请书（活页） 课题名称：光纤温度传感方法研究 申请年度： 2012年 江苏大学学生科研立项管理委员会制说 明l、申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2、表内项目填写时一律打印，此申报书可复制。3、编号由学生科研立项管理委员会统一填写。 4、申报作品有关材料请以打印件附于申请书后，申请书（活页）为A3纸双面复印中缝装订，一式三份和申请书一起由所在单位在规定时间内统一报送校团委，团委不接受个人申报。 5、在活页中，一律不得出现申报

4、者和指导教师的信息，否则取消申报资格。6、第十一批申报的“挑战杯”重点项目不适用本申报书（活页）。7、有关其他事宜请向校团委咨询。8、联系人：杜明拴（88780040） 研究课题名 称光纤温度传感方法研究所属类别（ A ）A、自然科学类论文B、发明制作C、社会科学类论文起止时间2012.052013.05成果形式发表研究论文一篇申请经费总 额1000其它经费来源自筹一、项目的基本内容，项目研究的目的基本思路，国内外研究现状、水平和发展趋势，本研究达到的科学技术水平和预期社会经济效益项目基本内容研究半导体吸收式光纤温度传感器的特性、信号处理和动态补偿方法及性能优化。项目研究的目的对于某些易燃易爆

5、的，不宜使用电传感器的场合，故需给出一种适用于这些易燃易爆等不适宜使用电传感的环境，并且具有良好的测量精度和动态特性的温度在线实时测量方法。考虑到半导体吸收式光纤温度传感器的诸多优越性,本项目将以这种传感器为基础，通过研究其补偿技术来提高该传感器的精度。但不同于一般的研究方法，本项目将提出一个全新的思路，即从软件上着手，通过采用智能信号处理来对这种传感器进行补偿。相对于那些从硬件上补偿的方法来说，软件上的补偿不增加任何硬件成本，这进一步强化了该传感器成本低廉的优点。更为重要的是，由于没有增加任何的硬件，将不会引入新的干扰因素。具体来说，本文将通过构建该半导体吸收式光纤温度传感器的数字动态补偿器

6、来对其进行动态补偿。但是响应速度慢，动态误差大是这种传感器固有的缺陷，而传统的补偿均是针对传感器的稳态精度，因而得到的温度测量系统的动态特性不能满足要求。而本项目的动态补偿器除了能提高传感器的稳态精度外，还能提高传感器的动态特性，因此非常适合于冶金、化工、电力等不适宜使用传统的传感器的恶劣环境场合中的实时温度测量和监控。本项目将采用近年来所提出的神经网络逆系统的方法。这种动态补偿方法不依赖于原传感器精确的数学模型，且可用于非线性传感器的动态补偿，非常适合于这种带有一定非线性特性、且精确数学模型较难得到的半导体吸收式光纤温度传感器的动态补偿。此外，由于补偿器中引入了神经网络，还可降低该传感器对光

7、强度参考的要求。项目的基本思路 首先，分析已经提出的几种不同的实时测温方案，并重点研究半导体吸收式光纤温度传感器。随后，对传感器的缺陷做出分析，发现影响传感器测量精度和反应速度的影响因素，并从该问题切入，提出解决问题的方案。并对其进行仿真研究及改进。然后，制作一个实际的半导体吸收式光纤温度传感器和单片机构成的测量系统，并对该温度测量系统进行研究。最后，整理研究论文一篇。国内外研究现状、水平和发展趋势国内的传感器市场还有待发展,尤其是光纤传感器等新型感器技术,远远落后于国际水平。但是随着经济的发展,各行各业对传感器的要求越来越高，因此电流传感器和电压传感器等传统的传感器已经不能满足人们生产生活的

8、需求了，这就需要研究新型传感器。例如传统的热电偶是通过测量两个不同材料之间随温度的改变而产生的相应的不同的电势差来得到温度值的1，在高压强电磁的环境下不能使用。因而传统的热电偶温度传感器只能在低压实验的条件下使用，无法在正常的工作条件下对高压实验条件下进行实时的监控。 随着时代的发展，对冶金、化工、电力等不适宜使用传统的传感器的恶劣环境场合进行实时监控的要求越来越迫切，尤其当出现异常故障导致温度急剧上升时，迫切的需要能有温度传感器快速的检测出这种情况。对于此类温度传感器主要需有三点要求：(1)能在恶劣环境下工作。(2)需有良好的动态性能，在出现异常温度急剧上升时能够快速的检测出。(3)成本适中

9、。因此人们尝试了一些新型的温度传感器，主要有红外线温度传感器，光纤传感器等。红外线温度传感器为一种非接触式传感器，但由于触头间较长的安全间距等因素，使用时精度十分的差，且响应滞后时间长，动态性能很差。光纤传感器目前市场上的产品主要是光栅式，由于采用了光作为介质，不受恶劣的外界环境影响，是一种十分理想的温度测量方式，但其成本与同类传感器相比较高。文献2提出了另一种形式的光纤测温方案。它利用本征半导体的禁带宽度随温度升高而减小的现象，引起对特定波长的光透光率也减小的原理，以砷化镓半导体晶片作为敏感元件，用光纤作导光系统，用红外发光管及接受管作为光源和光电转换元件，构成半导体吸收式光纤温度传感器。这

10、种温度传感器利用了砷化镓半导体晶片在不同温度下对红外光的透光率不同来得到温度，其传感器头仅由砷化镓晶片为主构成，内部没有电路，完全适用于恶劣的环境，且相对于光栅式光纤温度传感器来说成本低廉。但从文献1中我们同时还可以发现其精度受诸多因素的影响比较差，若需产品化还需很多改进工作。文献3提出了两种从硬件上改进该传感器的方案。但这两种方案所改进的主要是传感器的稳态精度，对动态精度的提高能力有限。对于动态精度，我们可以继续从硬件上着手，但这样做，势必会导致成本的大幅度增加，因此，我们可以从软件上着手，如果能够设计出一个传感器的动态补偿器并且很好的将其应用到传感器系统当中，那么就可以在不增加硬件成本的条

11、件下，显著的提高传感器的动态性能。传感器动态补偿的原理如图145所示。通过在传感器后串联接入一个动态补偿器使得传感器系统的工作频带得到适当扩展和延伸，从而提高了系统的动态性能，使测量结果能迅速、准确地反应被测对象的温度。 图1 传感器动态补偿原理当输入信号u(t)经传感器后产生y(t)，v(t)是经过动态补偿后的等效复合测量系统的输出信号。为了满足动态测量的要求，必须使输出y(t)经过补偿后得到的v(t)尽量动态地逼近u(t)。因此，等效的传感器复合系统必须满足不失真测量条件。对于图1所示的传感器与动态补偿网络组成的等效测量系统的输出信号理想情形下在频域内获得单位线性关系，或者实际过程中为具有

12、时间滞后的常数： (1)其中为时间滞后。对于零极点表示情形下，意味着补偿滤波器中的零点对应于传感器的极点，反之亦然。因此，只要设计出合适的动态补偿器并通过软件来实现，就可以达到提高传感器动态特性的目的，无需增加额外的硬件。本研究达到的科学技术水平和预期社会经济效益 本项目可实现冶金、化工、电力等不适宜使用传统的传感器的恶劣环境场合的温度实时、准确、快速地监控，确保生产、生活安全地进行，预防灾难的发生，减少不必要的损失。同时提高中国新型传感器的研究水平，缩小与国际水平的差距。二、项目的研究思路和方法，技术路线、实验方案及可行性分析（包括过去的研究工作基础、现有条件）项目的研究思路和方法 项目的进

13、行按照先理论分析再做仿真实验最后制作实物进行试验的思路进行。先理论分析影响光纤传感器测量精确度和反应速度的影响因素，再提出改进办法，然后进行仿真实验并不断改进，最后制作实物进行试验改进。技术路线、实验方案 整个传感器系统的结构如图2所示，红外发射电路发射的红外光经光纤传输后到达传感器头，经传感器头上的砷化镓芯片吸收掉部分的红外光后，剩余的红外光经光纤传输到达接收电路，经光电转换后转变为电压信号。温度不同，砷化镓片吸光率不同，从而传递到接收电路的红外光强也不同，经光电转换后电压不同，因此对该电压信号进行采集、AD转换并经过一系列的处理之后就可得到相应的温度，通过人机界面进行显示。图2 传感器系统

14、结构示意图 对该传感器来说，传感器头、光纤、软硬件的设计都比较关键，它们的好坏直接决定了该传感器的性能。 1传感器头及光纤 传感头的品质直接决定了传感器的性能，是本传感器系统的关键所在。如图3所示，采用一个聚四氟乙烯棒，沿棒打一小孔，使得光纤可以从两边插入。再在该棒的中部开一小孔，使的砷化镓片能够置于其中。从加工方便的角度考虑，砷化镓片为0.6mm。最后给聚四氟乙烯棒的外面套上一层热缩管。 光纤的正确选用对于测量的性能也至关重要。光纤主要分为通信光纤与非通信光纤两大类。本传感器中，要求插入传感头的光纤有足够的传光率及200度的耐温特性。通信光纤芯径一般为m和m，传输的光非常有限，经砷化镓片吸收

15、后透过的光更加少，且芯径细还会导致插入传感头两边的光纤对中困难，因此本传感器需要采用透光率较好的非通信光纤。从耐温性、柔韧性、传光率等综合因素考虑，本传感器采用0.5mm芯径的多模玻璃光纤。 图3 传感器头结构2硬件系统 本传感器系统硬件结构图2所示。主要由传感器头及光纤、数据采集及处理和人机界面组成。数据采集处理及人机接口部分位于柜内封闭隔间内，与高压强电磁环境隔开，通过光纤与传感头连接，因此这部分的硬件电路设计主要从数据采集精度和可靠性入手。 整个系统采用ATMEL公司的AT89C55单片机为核心进行架构。数据采集部分由AD7501多路选择器，AD582采样保持器，AD574模数转换器组成

16、，如图4所示。其中采样电容采用1000pF的聚苯乙烯电容，捕捉时间为s。经过精心合理布线后，该数据采集通道的总体硬件精度可达到0.33左右6。图4 数据采集系统 为保证系统运行的可靠性，配置以微处理器监控器MAX690A为核心的监控电路7，如图5所示。从而实现硬件看门狗，电源电压检测、上电掉电复位功能。 图5 微处理器监控系统 人机接口采用8279键盘显示专用接口芯片为核心，实现六个触头温度值的轮流显示，红、黄色报警以及黄色报警限定值的键盘输入，如图6所示。 图6 人机界面 人机接口与数据采集处理部分两者之间通过扁平电缆连接，并配以总线驱动器。通过精心合理设计布线8，从而使整个系统能够可靠的运

17、行。3软件系统 本系统软件主体采用C语言9，个别之处嵌入汇编语言。所有软件均在uVision2环境下开发10。 本传感器需检测六个触头的温度，在软件处理上，采取轮流采样转换处理显示的方式，每路之间的间隔时间为两秒钟。则每路，即每个触头的采样周期为12秒钟，这样即满足了工业上温度采样周期的要求11，又满足了人眼观察的需要。 当检测到的温升大于60K时，系统发出红色警报。黄色警报阈值可以通过键盘由人工通过需要和现场具体环境设定。 在软件滤波上，本系统拟采用五个值的中值滤波。 在软件抗干扰上，本系统拟采用冗余技术及软件陷阱技术6。 在动态补偿上，将尝试采用本项目的逆系统动态补偿方法1213。实验方案

18、及可行性分析（包括过去的研究工作基础、现有条件） 在此之前，已经接触了许多类型的传感器，对许多类型传感器都有了解。目前已经阅读了大量关于光纤温度传感器的中外文文献，对光纤温度传感器研究情况有了比较深入的了解。实验室有半成品的半导体吸收式光纤温度传感器可供研究和使用，有调压器、大功率电阻等温度测量实验环境，并有单片机、仿真器等实验设施可供本项目使用。三、作品的实际应用价值和现实意义（A、C类），作品的使用范围及推广前景及市场分析和经济效益预算（B类）作品的实际应用价值和现实意义 本项目实现的光纤温度传感器主要需有三点与众不同的优点：(1)能在恶劣环境下工作。(2)有良好的动态性能，在出现异常温度

19、急剧上升时能够快速的检测出。(3)成本适中。对它进行深入的研究有助于对冶金、化工、电力等不适宜使用传统的传感器的恶劣环境场合中的实时温度测量和监控，可以保障生产、生活更好、更安全的进行，减少不必要的损失，具有相当大的研究意义。 四、年度研究计划及预期进展最终预期研究成果，有助于理解、评审的现有技术和参考文献检索目录年度研究计划： 2012.052012.08 查询资料，理论计算，试验材料准备。2012.092012.12 试验模型加工，试验。2013.012012.04 实验总结，撰写小论文，完成立项结题。最终预期研究成果： 制作实验装置并进行实验分析，发表学术论文一篇。参考文献检索目录：1雷

20、敏，王志中等，薄膜热电偶的动态特性及动态补偿研究，计量学报J， 1999,20(3):183-1862曹康敏，施明恒半导体吸收式光纤温度传感器的研制，传感技术学报J，1999(1)：57-623孟庆民半导体吸收式光纤温度传感器，信息技术与信息化J，2004(5)：48-504徐科军传感器动态特性的实用研究方法，合肥：中国科学技术大学出版社，19995JEBrignell，Digital compensation of sensors，JPhysE：SciInstrument1987(20)，1097-11026王幸之，王雷等单片机应用系统抗干扰技术，北京：北京航空航天大学出版社，19997王晓

21、燕，刘凤国等基于MAX690A芯片的集中式智能电表抗干扰设计，电子技术应用J，2002，28(7)：46-528顾海洲，马双武PCB电磁兼容技术设计与实现，北京：清华大学出版社，2004年9马忠梅，籍顺心等单片机的语言应用程序设计，北京：北京航空航天大学出版社，200310尹勇，李宇uVision2单片机应用程序开发指南，北京：科学出版社，200511王勤计算机控制技术，南京：东南大学出版社，2003年11戴先中，殷铭，王勤传感器动态补偿的神经网络逆系统方法J. 仪器仪表学报，2004(5)12王勤，殷铭，戴先中神经网络逆系统方法在测量中的应用，电气传动，2002，Vol32：180-183经费预算 单位：元支出项目金额计算根据和理由论文版面费800论文版面费实验器材200购买实验验器材评委会意见评委意见： 签名： 年 月 日评委会最后意见（是否立项，如同意立项其立项金额）： 主任签名： 年 月 日学生科研课题指导委员会意见（盖章）年 月 日