CN107044890B - 长距离自适应的荧光光纤测温装置及方法 - Google Patents

长距离自适应的荧光光纤测温装置及方法 Download PDF

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Abstract

长距离自适应的荧光光纤测温装置，其特征在于：该装置包括控制模块、激励光源、波分复用模块、光纤、光纤探头、程控放大模块和光纤转换模块；控制模块连接激励光源，激励光源连接波分复用模块，波分复用模块连接光纤和光纤转换模块，光纤连接光纤探头，光电转换模块连接程控放大模块，程控放大模块连接控制模块。本发明的优点是通过自适应调节程控放大器的增益，能够很好的测量荧光的信号，对于很微弱的荧光信号也能够自适应的进行放大，能够达到温度解调的标准，通过此方法可以延长荧光光纤探头的长度，使荧光光纤测温装置很好的应用于各种领域，对于需要长距离测量并且电磁环境非常恶劣的环境尤其重要。

Description

长距离自适应的荧光光纤测温装置及方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是涉及能够长距离自适应的荧光光纤测温装置和解决长距离光纤探头的方法。
背景技术
利用荧光来进行测温是近年发展起来的一种新型的温度测温技术，将荧光分析技术与光纤传感技术结合，使其能够更加灵巧的应用于更多的场合。利用荧光进行温度测量技术在国外发达国家起步较早。自从二十世纪七八十年代开始，荧光光纤温度传感器在各个方面即开始了广泛的应用研究。而近年来一些厂家都研发出了基于荧光原理的测温产品，广泛应用于电力，医疗等行业，由于光纤具有很好的绝缘性，本征安全，不受电磁干扰，在一些电磁环境比较恶劣的环境中受到广泛好评。
例如专利号CN 104655318 A，通过激励光源激发光纤一端的荧光物质，荧光物质受到激发后会发出荧光，通过检测荧光的余晖寿命最终换算成实际的温度。通过此种方法能够检测开关柜等电磁环境比较恶劣的温度。
在实际的应用中我们发现，随着光纤距离的加长荧光的光强信号就有所衰减，这是由于荧光物质激发出的荧光波段一般都处于600nm到700nm的波段范围内，而这个波段在光纤的光传播中损耗非常大，最大能够达到1000db/km,光纤距离的加长直接影响检测端的荧光强度，随着光纤距离的加长，能够回传到检测端的荧光越微弱，通过光电转换后得到的电信号越小，并且有研究表明荧光的强度直接影响测温的准确性。
专利号CN 104655318 A能够实现粗略的温度测量，在光纤长度不一致的情况下，无法达到测温的准确性。
为了解决测温的准确性的问题，专利公开号CN 103428982A提出了一种光强自调整电路，通过调整可控光源的驱动电流，加大激励光源的发光强度，通过较高能量的光激发荧光物质，荧光物质受高能量的光激发会产生更强的荧光，从而实现提高荧光的强度，在长距离检测中，通过调整激励光源的强度来调整荧光的强度，在有效的调节范围内可以通过调节激励光源的强度来调整荧光的强度，但是当驱动电流大于激励光源的额定电流时会造成激励光源的器件损伤，使用寿命会大大下降，并且荧光物质受到更高的光强驱动后会表现出活性减退，最终不会发光，从而无法测温。
专利公开号CN 103428982A并不能从实际解决长距离的荧光光纤测温，解决此问题的根本办法是如何提高荧光光强的检测能力，能够检测微弱的荧光信号，能够从较微弱的荧光信号中解调出实际温度。
发明内容：
发明目的：本发明提供一种长距离自适应的荧光光纤测温装置及方法，其目的是用以解决现有荧光光纤测温设备不能长距离测温的问题，并且提高测温的准确性。
技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：
长距离自适应的荧光光纤测温装置，其特征在于：该装置包括控制模块、激励光源、波分复用模块、光纤、光纤探头、程控放大模块和光纤转换模块；控制模块连接激励光源，激励光源连接波分复用模块，波分复用模块连接光纤和光纤转换模块，光纤连接光纤探头，光电转换模块连接程控放大模块，程控放大模块连接控制模块。
控制模块由MCU微控制器以及对应的外围I/O驱动电路、通讯接口电路、AD采集电路和D/A输出电路电连接，I/O驱动电路、通讯接口电路、AD采集电路和D/A输出电路均连接至MCU微控制器。
其中激励光源为波长为405nm的恒流LED光源，其中波分复用模块为1*2 的波分复用器，复用波长为405nm和695nm，其中光纤为塑料光纤或石英光纤，其中光纤探头是光纤端面有荧光物质的光纤探头，其中光电转换模块将695nm的荧光信号转换为电信号，选用对应波段的光电二极管。
程控放大模块包括前端缓冲、可编程运算放大器、固定放大器和滤波电路，前端缓冲连接可编程运算放大器，可编程运算放大器连接固定放大器，固定放大器连接滤波电路，滤波电路通过AD采集电路连接控制模块，控制模块通过D/A输出电路连接可编程运算放大器。
滤波电路为二级低通滤波电路，其中前端缓冲为运放搭建的电压跟随电路，信号由运放同相端输入，反馈电阻为0，负反馈强，工作稳定，输入阻抗大，输出阻抗小，具有阻抗变换作用；其中可编程运算放大器是AD603，或者是其他可编程的运算放大器，其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后由固定增益放大器输出，其增益通过更改增益控制接口的参考电压决定，而这个参考电压通过控制模块运算并控制D/A输出电路输出控制电压得来，通过AD采集电路采集荧光的强度信号，从而实现增益的自动调节。
其中，控制模块主要控制激励光源发出激发光信号，以及负责对荧光信号进行解调，激励光源为恒流源驱动的发光光源，波分复用模块主要负责将激发光和荧光从光纤信号中分离，光纤探头为光纤一端附有荧光粉的光纤，程控放大模块主要用于对荧光信号进行可编程式的放大，通过控制模块调剂放大增益，光电转换模块负责将从波分复用模块中传出的荧光信号转成电信号，经过程控放大模块最终送入控制模块进行温度的解调。
利用上述的长距离自适应的荧光光纤测温装置所实施的长距离自适应的荧光光纤测温方法，其特征在于：该方法利用控制模块设定一个初始的放大增益值，通过控制模块检测荧光的信号是否达到温度解调的标准，如果信号达不到检测标准，则调节程控放大模块的增益，反之亦然。
该方法是通过检测荧光信号的强度大小，根据强度的具体数值设定程控放大器的具体的增益值，如果荧光信号小于设定的阈值，则调节程控放大器的参考电压，将荧光信号进行放大，使之达到能够进行温度解调的标准，反之则将程控放大器的增益调小，从而实现自动调节，当用户接入不同长度的光纤探头时，荧光光纤测温装置调节程控放大器的增益，使之能够自适应不同长度的光纤探头，使荧光光纤测温装置能更好的应用于长距离测温的环境。
所述根据强度的具体数值设定程控放大器的具体的增益值的具体规律为：：检测到荧光信号强度很小则增大程控放大模块的增益值，检测荧光信号强度大，则减小程控放大模块的增益值。
具体的调节过程采用比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节，本发明通过调节D/A输出电路12输出的电压值来自动调节程控放大模块6的增益，已知模拟的PID公式为：
u(t)为D/A输出电路12输出的电压值；
e(t)为荧光强度设定值与实际检测到的强度值的差值；
Kp为比例放大系数；
Ti为积分时间常数；
Td为微分时间常数；
为了用单片机实现PID控制规律当采样时间T很小时可以通过离散化将这一方程直接化为差分方程，为此用一阶差分代替一阶微分，用累加代替积分，这时可用矩形或梯形积分作为连续积分的近似值，用矩形积分时得到数字式PID，其公式如下：
T为采样周期；
由于要不断的累加ej，增加了计算量，所以这个公式又可以转换为增量式算法：
ek：当前荧光强度设定值与实际检测到的强度值的差值；
ek-1：上次荧光强度设定值与实际检测到的强度值的差值；
ek-2：上上次荧光强度设定值与实际检测到的强度值的差值；
这样根据近三次的误差就可以进行PID的自动调节，可以根据实际检测到的荧光信号强度自动调节程控放大模块的增益，实现自动适应光纤探头长度的目的。
优点效果：本发明提供一种长距离自适应的荧光光纤测温装置及方法，本发明的核心就是增加了可编程的程控放大模块，可以通过单片机或其他控制模块控制其增益的大小，并不采用调节激励光源的电流的方式，电流调节方式的缺点以在上文中做了说明，本发明采用最佳的恒定驱动电流，通过调节检测端的放大倍数实现远距离信号的采集。
本发明的优点是通过自适应调节程控放大器的增益，能够很好的测量荧光的信号，对于很微弱的荧光信号也能够自适应的进行放大，能够达到温度解调的标准，通过此方法可以延长荧光光纤探头的长度，使荧光光纤测温装置很好的应用于各种领域，对于需要长距离测量并且电磁环境非常恶劣的环境尤其重要。
附图说明
图1为本发明的整体架构框图；
图2为本发明的程控放大模块的功能框；
图3为本发明的方法流程图；
图4为本发明控制模块的功能框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种长距离自适应的荧光光纤测温装置由控制模块1、激励光源2、波分复用模块3、光纤4、光纤探头5、程控放大模块6和光纤转换模块7组成，控制模块1连接激励光源2，激励光源2连接波分复用模块3，波分复用模块3连接光纤4和光纤转换模块7，光纤4连接光纤探头5，光纤转换模块7连接程控放大模块6，程控放大模块6连接控制模块1。
其中，控制模块主要控制激励光源发出激发光信号，以及负责对荧光信号进行解调，激励光源为恒流源驱动的发光光源，波分复用模块主要负责将激发光和荧光从光纤信号中分离，光纤探头为光纤一端附有荧光粉的光纤，程控放大模块主要用于对荧光信号进行可编程式的放大，通过控制模块调剂放大增益，光电转换模块负责将从波分复用模块中传出的荧光信号转成电信号，经过程控放大模块最终送入控制模块进行温度的解调。
如图4所示，其中控制模块1由MCU微控制器9以及对应的外围I/O驱动电路10、通讯接口电路11、AD采集电路8、D/A输出电路12电连接，通讯接口电路11可以是RS485或RS232接口电路，也可是CAN总线接口电路，控制模块1通过I/O驱动电路10与激励光源2连接，其中激励光源2为波长为405nm的恒流LED光源，其中波分复用模块3为1*2的波分复用器，复用波长为405nm和695nm，其中光纤4为塑料光纤或石英光纤，其中光纤探头5是光纤端面有荧光物质的光纤探头，其中光电转换模块7将695nm的荧光信号转换为电信号，选用对应波段的光电二极管，其中程控放大模块6是本发明的核心，用于将电信号进行自调节的放大。
如图2所示，使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器,用控制电压和增益成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制，程控放大模块6包括前端缓冲13、可编程运算放大器14、固定放大器15和滤波电路16，前端缓冲13连接可编程运算放大器14，可编程运算放大器14连接固定放大器15，固定放大器15连接滤波电路16，滤波电路16通过AD采集电路8连接控制模块1，控制模块1通过D/A输出电路12连接可编程运算放大器14。
其中滤波电路16为二级低通滤波电路，其中前端缓冲13为运放搭建的电压跟随电路，信号由运放同相端输入，反馈电阻为0，负反馈强，工作稳定，输入阻抗大，输出阻抗小，具有阻抗变换作用。其中可编程运算放大器14可以是AD603，也可以是其他可编程的运算放大器，其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后由固定增益放大器输出，其增益量可以通过加载增益控制接口的参考电压决定，而这个参考电压可以通过控制模块1运算并控制D/A输出电路12输出控制电压得来，通过AD采集电路8采集荧光的强度信号，从而实现增益的自动调节。
如图3所示，本发明的一种长距离自适应的荧光光纤测温方法，该方法利用控制模块设定一个初始的放大增益值，通过控制模块检测荧光的信号是否达到温度解调的标准，如果信号达不到检测标准，则调节程控放大模块的增益，反之亦然。
该方法是通过检测荧光信号的强度大小，根据强度的具体数值设定程控放大器的具体的增益值，如果荧光信号小于设定的阈值，则调节程控放大器的参考电压，将荧光信号进行放大，使之达到能够进行温度解调的标准，反之则将程控放大器的增益调小，从而实现自动调节。当用户接入不同长度的光纤探头时，荧光光纤测温装置能够自动调节程控放大器的增益，使之能够自适应不同长度的光纤探头，使荧光光纤测温装置能更好的应用于长距离测温的环境。
具体的调节过程采用比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节，本发明通过调节D/A输出电路12输出的电压值来自动调节程控放大模块6的增益，已知模拟的PID公式为：
u(t)为D/A输出电路12输出的电压值；
e(t)为荧光强度设定值与实际检测到的强度值的差值；
Kp为比例放大系数；
Ti为积分时间常数；
Td为微分时间常数
为了用单片机实现PID控制规律当采样时间T很小时可以通过离散化将这一方程直接化为差分方程。为此用一阶差分代替一阶微分，用累加代替积分。这时可用矩形或梯形积分作为连续积分的近似值。用矩形积分时得到数字式PID，其公式如下：
T为采样周期；
由于要不断的累加ej，增加了计算量，所以这个公式又可以转换为增量式算法：
ek：当前荧光强度设定值与实际检测到的强度值的差值；
ek-1：上次荧光强度设定值与实际检测到的强度值的差值；
ek-2：上上次荧光强度设定值与实际检测到的强度值的差值；
这样根据近三次的误差就可以进行PID的自动调节，可以根据实际检测到的荧光信号强度自动调节程控放大模块的增益，实现自动适应光纤探头长度的目的。

Claims (7)

1.长距离自适应的荧光光纤测温方法，其特征在于：该方法利用如下装置实现：
该装置包括控制模块(1)、激励光源(2)、波分复用模块(3)、光纤(4)、光纤探头(5)、程控放大模块(6)和光电转换模块(7)；控制模块(1)连接激励光源(2)，激励光源(2)连接波分复用模块(3)，波分复用模块(3)连接光纤(4)和光电转换模块(7)，光纤(4)连接光纤探头(5)，光电转换模块(7)连接程控放大模块(6)，程控放大模块(6)连接控制模块(1)；
该方法利用控制模块设定一个初始的放大增益值，通过控制模块检测荧光的信号是否达到温度解调的标准，如果信号达不到检测标准，则调节程控放大模块的增益，反之亦然；
该方法是通过检测荧光信号的强度大小，根据强度的具体数值设定程控放大器的具体的增益值，如果荧光信号小于设定的阈值，则调节程控放大器的参考电压，将荧光信号进行放大，使之达到能够进行温度解调的标准，反之则将程控放大器的增益调小，从而实现自动调节，当用户接入不同长度的光纤探头时，荧光光纤测温装置调节程控放大器的增益，使之能够自适应不同长度的光纤探头，使荧光光纤测温装置能更好的应用于长距离测温的环境；
具体的调节过程采用比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节，该方法通过调节D/A输出电路12输出的电压值来自动调节程控放大模块的增益，已知模拟的PID公式为：
u(t)为D/A输出电路12输出的电压值；
e(t)为荧光强度设定值与实际检测到的强度值的差值；
Kp为比例放大系数；
Ti为积分时间常数；
Td为微分时间常数；
为了用单片机实现PID控制规律,当采样时间T很小时通过离散化将这一方程直接化为差分方程，用一阶差分代替一阶微分，用累加代替积分，这时用矩形或梯形积分作为连续积分的近似值，用矩形积分时得到数字式PID，其公式如下：
T为采样周期；
由于要不断的累加ej，增加了计算量，所以公式2又能够转换为增量式算法：
ek：当前荧光强度设定值与实际检测到的强度值的差值；
ek-1：上次荧光强度设定值与实际检测到的强度值的差值；
ek-2：上上次荧光强度设定值与实际检测到的强度值的差值；
这样根据近三次的误差就能够进行PID的自动调节，根据实际检测到的荧光信号强度自动调节程控放大模块的增益，实现自动适应光纤探头长度的目的。
2.根据权利要求1所述的长距离自适应的荧光光纤测温方法，其特征在于：控制模块(1)由MCU微控制器以及对应的外围I/O驱动电路、通讯接口电路、AD采集电路(8)和D/A输出电路(12)构成，I/O驱动电路(10)、通讯接口电路(11)、AD采集电路(8)和D/A输出电路(12)均连接至MCU微控制器(9)。
3.根据权利要求2所述的长距离自适应的荧光光纤测温方法，其特征在于：其中激励光源(2)为波长为405nm的恒流LED光源，其中波分复用模块(3)为1*2的波分复用器，复用波长为405nm和695nm，其中光纤(4)为塑料光纤或石英光纤，其中光纤探头(5)是光纤端面有荧光物质的光纤探头，其中光电转换模块(7)将695nm的荧光信号转换为电信号，选用对应波段的光电二极管。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的长距离自适应的荧光光纤测温方法，其特征在于：程控放大模块(6)包括前端缓冲(13)、可编程运算放大器(14)、固定放大器(15)和滤波电路(16)，前端缓冲(13)连接可编程运算放大器(14)，可编程运算放大器(14)连接固定放大器(15)，固定放大器(15)连接滤波电路(16)，滤波电路(16)通过AD采集电路(8)连接控制模块(1)，控制模块(1)通过D/A输出电路(12)连接可编程运算放大器(14)。
5.根据权利要求4所述的长距离自适应的荧光光纤测温方法，其特征在于：滤波电路(16)为二级低通滤波电路，其中前端缓冲(13)为运放搭建的电压跟随电路，信号由运放同相端输入，反馈电阻为0，负反馈强，工作稳定，输入阻抗大，输出阻抗小，具有阻抗变换作用；其中可编程运算放大器(14)是AD603，或其他可编程的运算放大器，可编程运算放大器(14)内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后由固定增益放大器输出，其增益通过更改增益控制接口的参考电压决定，而该参考电压通过控制模块(1)运算并控制D/A输出电路(12)输出控制电压得来，通过AD采集电路(8)采集荧光的强度信号，从而实现增益的自动调节。
6.根据权利要求1所述的长距离自适应的荧光光纤测温方法，其特征在于：其中，控制模块主要控制激励光源发出激发光信号，以及负责对荧光信号进行解调，激励光源为恒流源驱动的发光光源，波分复用模块主要负责将激发光和荧光从光纤信号中分离，光纤探头为光纤一端附有荧光粉的光纤，程控放大模块主要用于对荧光信号进行可编程式的放大，通过控制模块调剂放大增益，光电转换模块负责将从波分复用模块中传出的荧光信号转成电信号，经过程控放大模块最终送入控制模块进行温度的解调。
7.根据权利要求1所述的长距离自适应的荧光光纤测温方法，其特征在于：所述根据强度的具体数值设定程控放大器的具体的增益值的具体规律为：检测到荧光信号强度很小则增大程控放大模块的增益值，检测荧光信号强度大，则减小程控放大模块的增益值。
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