CN112629699A - 一种多通道荧光光纤温度变送器及测温方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多通道荧光光纤温度变送器及测温方法，解决现有对等离子体刻蚀机静电吸盘的测温方式，存在测量误差大、精度低的问题。方法包括步骤：1)M个光源发生器进行第1次发光激发；2)关闭M个光源发生器，M个测温单元光传感器进行第i次激发光的信号采样，i＝1，数据处理单元对光传感器获得的采样值处理，获得M个第i次温度数据；3)M个光源发生器进行第i+1次发光激发；4)关闭M个光源发生器，M个测温单元的光传感器进行第i+1次激发光的信号采样，数据处理单元对光传感器获得的采样值处理，获得M个第i+1次温度数据；同时，数据处理单元对M个第i次温度数据进行滤波并输出；5)令i＝i+1，返回步骤3)，直至测温结束。

Description

一种多通道荧光光纤温度变送器及测温方法
技术领域
本发明涉及光纤测温领域，具体涉及一种多通道荧光光纤温度变送器及测温方法。
背景技术
等离子体刻蚀机是半导体生产过程中的重要设备,该设备在刻蚀过程中对其静电吸盘温度的精准测量尤为重要。
目前，现有等离子体刻蚀机在刻蚀过程中，对静电吸盘的温度测量主要采用金属铂电阻测温方式。金属铂电阻测温原理：基于铂电阻(PT100)在0摄氏度时，其自身阻值为100欧姆的基准，随着温度的升高其阻值有规律的匀速增长原理。采用金属铂电阻方式测量静电吸盘温度存在以下不足之处：铂电阻测温是采用一个测温探头直接与静电吸盘接触，测温探头为金属探头，以及数据采集仪器与静电吸盘之间存在一定距离，因此测温探头与数据采集仪器之间通过一根1～3米的探头拉线实现数据传输，由此会带来电磁干扰，进而出现测量误差大、精度低等问题。
发明内容
为了解决现有对等离子体刻蚀机静电吸盘的测温方式，存在测量误差大、精度低的技术问题，本发明提供了一种多通道荧光光纤温度变送器及测温方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种多通道荧光光纤温度变送器，其特殊之处在于：包括数据处理单元和M个测温单元,M为大于等于2的整数；
每个测温单元包括光源发生器、滤波片、滤波透镜、光纤、光纤探头和光传感器，光纤探头设置在被测件表面；
所述光源发生器发射的光束入射至滤波片，经滤波片反射后入射至滤波透镜，经滤波透镜透射、光纤传输至光纤探头，光纤探头用于获取被测件的荧光信号，该荧光信号再次经光纤探头和光纤传输、滤波透镜透射、滤波片透射后被光传感器接收，光传感器将光信号转换为电信号；
所述数据处理单元用于获取光传感器的电信号，并对电信号进行处理，实时监测被测件的温度。
进一步地，每个测温单元还包括放大器，用于对光传感器输出的电信号进行放大，并传输至数据处理单元。
同时，本发明提供了一种多通道荧光光纤测温方法，其特殊之处在于，采用上述多通道荧光光纤温度变送器，所述测温方法包括以下步骤：
1)打开M个测温单元的光源发生器，M个光源发生器进行第1次发光激发；
2)关闭M个光源发生器，M个测温单元的光传感器分别进行第i次激发光的信号采样，i＝1，数据处理单元对每个光传感器获得的采样值进行处理，获得M个第i次温度数据；
3)再次打开M个光源发生器，M个光源发生器进行第i+1次发光激发；
4)关闭M个光源发生器，M个测温单元的光传感器再次进行第i+1次激发光的信号采样，数据处理单元对每个光传感器获得的采样值进行处理，获得M个第i+1次温度数据；
同时，数据处理单元对M个第i次的温度数据进行滤波并输出；
5)令i＝i+1，返回步骤3)，直至测温结束，数据处理单元对M个最后一次采样值进行处理，获得相应温度数据进行滤波并输出。
进一步地，步骤2具体为：
2.1)关闭M个光源发生器；
2.2)M个测温单元的光传感器分别进行第i次激发光的多组信号采样，i＝1；
2.3)数据处理单元对每个光传感器获得的所有采样值进行积分和微分运算，得到M个积分后的采样值，并根据M个积分后的采样值获得相应M个第i次温度数据。
进一步地，步骤2具体为：
2.1)关闭M个光源发生器；
2.2)各个测温单元的光传感器获得第i次激发光的第一个采样值A1和第二个采样值A2；
2.3)各个测温单元的光传感器获得第i次激发光的第三个采样值A3，同时数据处理单元对第i次激发光的第一个采样值A1和第二个采样值A2进行积分和微分运算，得到第i次激发光的第一个积分后采样值B1；
2.4)各个测温单元的光传感器获得第i次激发光的第四个采样值A4，同时数据处理单元对第i次激发光的第三个采样值A3和第一个积分后采样值B1进行积分和微分运算，得到第i次激发光的第二个积分后采样值B2；
2.5)重复利用步骤2.4)的方法，直至各个测温单元的光传感器获得第N个采样值AN，完成第i次激发光的信号采样，同时，数据处理单元对第i次激发光的第N-1个采样值AN-1和第N-3个积分后采样值BN-3进行积分和微分运算，得到第i次激发光的第N-2个积分后采样值BN-2；
2.6)数据处理单元对第i次激发光的第N个采样值AN和第N-2个积分后采样值BN-2进行积分和微分运算，得到第i次激发光的第N-1个积分后采样值BN-1；
2.7)数据处理单元根据各个测温单元第i次激发光的第N-1个积分后采样值BN-1，输出相应的温度数据,获得M个第i次温度数据。
进一步地，步骤4)中，所述信号采样为多组信号采样；
所述数据处理单元对每个光传感器获得的采样值进行处理具体为：所述数据处理单元对每个光传感器获得的所有采样值进行积分和微分运算，并根据积分后采样值获得M个第i+1次温度数据。
进一步地，步骤4)中，所述关闭M个光源发生器，M个测温单元的光传感器再次进行第i+1次激发光的信号采样，数据处理单元对每个光传感器获得的采样值进行处理，获得M个第i+1次温度数据具体为：
a)关闭M个光源发生器；
b)各个测温单元的光传感器获得第i+1次激发光的第一个采样值A1和第二个采样值A2；
c)各个测温单元的光传感器获得第i+1次激发光的第三个采样值A3，同时数据处理单元对第i+1次激发光的第一个采样值A1和第二个采样值A2进行积分和微分运算，得到第i+1次激发光的第一个积分后采样值B1；
d)各个测温单元的光传感器获得第i+1次激发光的第四个采样值A4，同时数据处理单元对第i+1次激发光的第三个采样值A3和第一个积分后采样值B1进行积分和微分运算，得到第i+1次激发光的第二个积分后采样值B2；
e)重复利用步骤d)的方法，直至各个测温单元的光传感器获得第N个采样值AN，完成第i+1次激发光的信号采样，同时，数据处理单元对第i+1次激发光的第N-1个采样值AN-1和第N-3个积分后采样值BN-3进行积分和微分运算，得到第i+1次激发光的第N-2个积分后采样值BN-2；
f)数据处理单元对第i+1次激发光的第N个采样值AN和第N-2个积分后采样值BN-2进行积分和微分运算，得到第i+1次激发光的第N-1个积分后采样值BN-1；
g)数据处理单元根据各个测温单元第i+1次激发光的第N-1个积分后采样值BN-1，输出相应的温度数据,获得M个第i+1次温度数据。
进一步地，还包括步骤h)：数据处理单元对每个测温单元多个连续获得的温度数据进行概率统计，并根据概率统计结果，调整光源发生器的发光强度。
进一步地，步骤4)中，所述滤波为依次进行的消抖滤波、数字一阶滤波和卷积滤波。
进一步地，所述M为4；
所述N为800～1300。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明变送器及测温方法包括多个测温单元，实现多通道(多个测温单元)同时采样并测温，可对被测件的不同位置进行温度监测，提高被测件运行的安全性；以及本发明在信号采样的同时进行温度数据的滤波处理，采样完成时，多个通道的温度数据也同时计算完成，实现快速测量被测件的温度。
2、本发明滤波采用消抖滤波、数字一阶滤波和卷积滤波一起组合的方式，使数据稳定性和精确度更高。
3、本发明在对激发光信号采样过程中，同步对采样值进行积分和微分计算，在采样完成时，相应的温度数据也同时计算完成，温度获取速度更快。
4、本发明对温度数据进行概率统计，并根据输出的温度数据概率统计结果，调整光源发生器的发光强度，增加信号的稳定性，为快速计算温度数据提供保障。
附图说明
图1为本发明多通道荧光光纤温度变送器的结构示意图；
图2为本发明多通道荧光光纤温度变送器中测温单元的结构示意图；
图3为本发明多通道荧光光纤测温方法的流程图；
其中，附图标记如下：
1-数据处理单元，2-测温单元，21-光源发生器，22-滤波片，23-滤波透镜，24-光纤，25-光纤探头，26-光传感器，27-放大器，3-被测件。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
荧光光纤测温原理：荧光光纤测温是基于稀土荧光物质的材料特性实现。当这种稀土敏感材料在受光激励后，敏感材料中的电子吸收光子从低能级跃迁到激发态高能级，从高能级返回到低能级的辐射跃迁，发出荧光。激励光消除后的持续荧光发射依赖于激发态的寿命。该发射通常以指数的形式衰落，指数衰落的时间常数可以用于测量激发态的寿命，该寿命称为荧光寿命，荧光寿命的长短决定于温度的高低。应用这种方法测温的最大优点是整个光纤为绝缘材料，传输的也是光信号，不受电场磁场干扰。测量时不会因为周围电磁场的变化而导致测量误差。因此相对于其他测温方法具有明显的优势，同时具有互换性高、稳定性好、无需标定、寿命长等优点。
实施例一
如图1所示，本实施例利用上述荧光光纤温度传感器技术，提出一种适应等离子环境下的多通道荧光光纤温度变送器，包括数据处理单元1和4个测温单元2，4个测温单元2可对被测件的不同位置进行温度监测；在其它实施例中，测温单元2的数量可根据实际需要进行合理设计。
如图2所示，每个测温单元2包括光源发生器21、滤波片22、滤波透镜23、光纤24、光纤探头25、光传感器26和放大器27，光纤探头25设置在被测件3表面；光源发生器21发射的光束入射至滤波片22，经滤波片22过滤并反射后入射至滤波透镜23，经滤波透镜23透射、光纤24传输至光纤探头25，光纤探头25用于获取被测件3的荧光信号，该荧光信号再次经光纤探头25和光纤24传输、滤波透镜23透射、滤波片22透射后被光传感器26接收，光传感器26将光信号转换为电信号，放大器27用于对光传感器26输出的电信号进行放大，并传输至数据处理单元1；数据处理单元1用于对放大后的电信号进行处理，实时监测被测件3的温度。本实施例变送器可达到对温度实时、快速、精准测量的要求。
本实施例测温单元2还包括485通讯(采用modbus协议)、4-20MA、0-10V或0-5V输出，使得数字化和集成度更高，其检测速度更快和精度更高。
本实施例变送器与现有铂电阻测温相比，具有以下特点：
1、采用光纤测温：光纤24本身材质不是导体(塑料)具有很好的绝缘性和传输光信号，所以能够抗加热过程加热盘因电流变化产生的电磁场变化带来的干扰。而采用PT100铂电阻测温则不行，必须考虑到如何屏蔽才行。
2、测温的快速和准确性方面比较：荧光光纤测温温度判断速度快，最快能做到30mS，测温的精确度高，能做到±0.1℃之内。铂电阻测温的速度较慢，精度在±1℃之内。
3、4通道快速高精度荧光光纤温度变送器产品在出厂前已经通过温度标定，在现场不需要标定。铂电阻测温需要在一定期限后进行温度标定和校准。本实施例光纤头的老化速率远低于铂电阻测温方式的测温元件。
本实施例变送器除了应用于半导体刻蚀机上外，在电力行业中有极为广泛的应用空间。其他行业如火车特殊部位测温与保护，医疗设备中一些部件的温度快速测量和保护。
如图3所示，基于上述温度变送器，本实施例提供了一种多通道荧光光纤测温方法，包括以下步骤：
1)打开4个光源发生器21，4个光源发生器21进行第1次发光激发；
2)获得4个第1次温度数据
2.1)关闭4个光源发生器21；
2.2)4个光传感器26分别进行第1次激发光的多组温度采样，具体为：DMA控制4个通道同时以10us采样间隔进行4个通道采样,DMA为数据处理单元1中的控制器，4个通道分别为4个测温单元2；4个光传感器26同时进行第一组温度数据的采样，每个通道采集一个采样值；间隔10us，4个光传感器26同时进行第二组温度数据采样，再间隔10us，4个光传感器26同时进行第三组温度数据采样，以此类推，直到采样组数达到设定值，采样完成，采样组数通常为800～1300，本实施例中为1000组，即每个光传感器26获得1000个采样值；
2.3)数据处理单元1对每个光传感器26获得的所有采样值进行积分和微分处理，得到4个积分后的采样值，并根据4个积分后的采样值获得相应4个第1次温度数据；
3)再次打开4个光源发生器21，4个光源发生器21进行第2次发光激发；
4)获得4个第2次温度数据以及对第1次温度数据处理
关闭4个光源发生器21，4个测温单元2的光传感器26再次进行第2次激发光的多组温度采样，即每个光传感器26第2次获得1000个采样值；数据处理单元1对每个光传感器26获得的所有采样值进行积分和微分处理，得到4个积分后的采样值，并根据4个积分后的采样值获得相应4个第2次温度数据；
同时，数据处理单元1对4个第1次温度数据进行滤波处理并输出；滤波采用消抖滤波、数字一阶滤波和卷积滤波一起组合处理数据，使测量的温度数据稳定性和精确度更高；激光采样结束，滤波处理结束，提高测温速度；
5)重复利用步骤3)和步骤4)的方法，进行第2次发光激发、第3次发光激发、……，以及获取相应温度数据和温度滤波处理，直至完成被测件测温和温度监测。
本实施例测温方法包括多个测温单元，实现多通道(多个测温单元)同时采样并测温，可对被测件的不同位置进行温度监测，提高被测件运行的安全性；以及在信号采样的同时进行温度数据的滤波处理，采样完成时，多个通道的温度数据也同时滤波处理完成，实现快速测量被测件的温度。
实施例二
与实施例一不同之处在于，步骤2)获得相应4个第1次温度数据：
2.1)关闭4个光源发生器21；
2.2)DMA控制4个通道同时以10us采样间隔进行4个通道采样,DMA为数据处理单元1中的控制器，4个通道分别为4个测温单元2；
4个光传感器26同时进行第一组温度数据的采样，每个通道采集第一个采样值A1；间隔10us，4个光传感器26同时进行第二组温度数据采样，每个通道采集第二个采样值A2，4个光传感器26获得第1次激发光的第一个采样值A1和第二个采样值A2；
2.3)间隔10us，4个光传感器26同时进行第三组温度数据采样，每个通道采集第三个采样值A3，同时数据处理单元1对第1次激发光的第一个采样值A1和第二个采样值A2进行积分和微分运算，得到第1次激发光的第一个积分后采样值B1；
2.4)间隔10us，4个光传感器26同时进行第四组温度数据采样，每个通道采集第四个采样值A4，同时数据处理单元1对第1次激发光的第三个采样值A3和第一个积分后采样值B1进行积分和微分运算，得到第1次激发光的第二个积分后采样值B2；
2.5)以此类推，重复利用步骤2.4)的方法，直至采样组数达到设定值，采样完成，本实施例中为1000组，即4个光传感器26获得第1000个采样值A1000，同时，数据处理单元1对第1次激发光的第999个采样值A999和第997个积分后采样值B997进行积分和微分运算，得到第1次激发光的第998个积分后采样值B998；
2.6)数据处理单元1对第1次激发光的第1000个采样值A1000和第998个积分后采样值B998进行积分和微分运算，得到第1次激发光的第999个积分后采样值B999；
2.7)数据处理单元1根据各个测温单元2第1次激发光的第999个积分后采样值B999，输出相应的温度数据,获得4个第1次温度数据。
步骤4)中，获取温度数据采用与步骤2)相同的方法，获得第2次温度数据。以此类推，第2次发光激发、第3次发光激发、……温度数据的获取也采用与步骤2)相同的方式。
本实施例在对激发光信号采样过程中，同步对采样值进行积分和微分计算，在采样完成时，4个通道相应的温度数据也同时计算完成，使得温度获取速度更快。
实施例三
与实施例二不同之处在于：在发光激发多次后，数据处理单元1对每个测温单元2多个连续获得的温度数据进行概率统计，并根据多个连续温度数据的概率统计结果，调整光源发生器21的发光强度，具体为：当多个连续温度数据中超过预定设置值(简称阈值)的占比大于要求占比时，降低光源发生器的光强；当多个连续温度数据中低于预定设置值(简称阈值)的占比大于要求占比时，增加光源发生器的光强。通过对模拟信号(采样信号)的控制采用概率统计数据，采样信号控制通过智能光源发生器(PID)调节，动态调整(PID)参数，增加信号的稳定性。为快速计算温度数据提供保障，可达到30mS同时输出4组温度测量数据。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (10)

1.一种多通道荧光光纤温度变送器，其特征在于：包括数据处理单元(1)和M个测温单元(2),M为大于等于2的整数；
每个测温单元(2)包括光源发生器(21)、滤波片(22)、滤波透镜(23)、光纤(24)、光纤探头(25)和光传感器(26)，光纤探头(25)设置在被测件(3)表面；
所述光源发生器(21)发射的光束入射至滤波片(22)，经滤波片(22)反射后入射至滤波透镜(23)，经滤波透镜(23)透射、光纤(24)传输至光纤探头(25)，光纤探头(25)用于获取被测件(3)的荧光信号，该荧光信号再次经光纤探头(25)和光纤(24)传输、滤波透镜(23)透射、滤波片(22)透射后被光传感器(26)接收，光传感器(26)将光信号转换为电信号；
所述数据处理单元(1)用于获取光传感器(26)的电信号，并对电信号进行处理，实时监测被测件(3)的温度。
2.根据权利要求1所述多通道荧光光纤温度变送器，其特征在于：每个测温单元(2)还包括放大器(27)，用于对光传感器(26)输出的电信号进行放大，并传输至数据处理单元(1)。
3.一种多通道荧光光纤测温方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述多通道荧光光纤温度变送器，所述测温方法包括以下步骤：
1)打开M个测温单元(2)的光源发生器(21)，M个光源发生器(21)进行第1次发光激发；
2)关闭M个光源发生器(21)，M个测温单元(2)的光传感器(26)分别进行第i次激发光的信号采样，i＝1，数据处理单元(1)对每个光传感器(26)获得的采样值进行处理，获得M个第i次温度数据；
3)再次打开M个光源发生器(21)，M个光源发生器(21)进行第i+1次发光激发；
4)关闭M个光源发生器(21)，M个测温单元(2)的光传感器(26)再次进行第i+1次激发光的信号采样，数据处理单元(1)对每个光传感器(26)获得的采样值进行处理，获得M个第i+1次温度数据；
同时，数据处理单元(1)对M个第i次的温度数据进行滤波并输出；
5)令i＝i+1，返回步骤3)，直至测温结束，数据处理单元(1)对M个最后一次采样值进行处理，获得相应温度数据进行滤波并输出。
4.根据权利要求3所述多通道荧光光纤测温方法，其特征在于，步骤2具体为：
2.1)关闭M个光源发生器(21)；
2.2)M个测温单元(2)的光传感器(26)分别进行第i次激发光的多组信号采样，i＝1；
2.3)数据处理单元(1)对每个光传感器(26)获得的所有采样值进行积分和微分运算，得到M个积分后的采样值，并根据M个积分后的采样值获得相应M个第i次温度数据。
5.根据权利要求3所述多通道荧光光纤测温方法，其特征在于，步骤2具体为：
2.1)关闭M个光源发生器(21)；
2.2)各个测温单元(2)的光传感器(26)获得第i次激发光的第一个采样值A1和第二个采样值A2；
2.3)各个测温单元(2)的光传感器(26)获得第i次激发光的第三个采样值A3，同时数据处理单元(1)对第i次激发光的第一个采样值A1和第二个采样值A2进行积分和微分运算，得到第i次激发光的第一个积分后采样值B1；
2.4)各个测温单元(2)的光传感器(26)获得第i次激发光的第四个采样值A4，同时数据处理单元(1)对第i次激发光的第三个采样值A3和第一个积分后采样值B1进行积分和微分运算，得到第i次激发光的第二个积分后采样值B2；
2.5)重复利用步骤2.4)的方法，直至各个测温单元(2)的光传感器(26)获得第N个采样值AN，完成第i次激发光的信号采样，同时，数据处理单元(1)对第i次激发光的第N-1个采样值AN-1和第N-3个积分后采样值BN-3进行积分和微分运算，得到第i次激发光的第N-2个积分后采样值BN-2；
2.6)数据处理单元(1)对第i次激发光的第N个采样值AN和第N-2个积分后采样值BN-2进行积分和微分运算，得到第i次激发光的第N-1个积分后采样值BN-1；
2.7)数据处理单元(1)根据各个测温单元(2)第i次激发光的第N-1个积分后采样值BN-1，输出相应的温度数据,获得M个第i次温度数据。
6.根据权利要求3或4或5所述多通道荧光光纤测温方法，其特征在于：步骤4)中，所述信号采样为多组信号采样；
所述数据处理单元(1)对每个光传感器(26)获得的采样值进行处理具体为：所述数据处理单元(1)对每个光传感器(26)获得的所有采样值进行积分和微分运算，并根据积分后采样值获得M个第i+1次温度数据。
7.根据权利要求3或4或5所述多通道荧光光纤测温方法，其特征在于，步骤4)中，所述关闭M个光源发生器(21)，M个测温单元(2)的光传感器(26)再次进行第i+1次激发光的信号采样，数据处理单元(1)对每个光传感器(26)获得的采样值进行处理，获得M个第i+1次温度数据具体为：
a)关闭M个光源发生器(21)；
b)各个测温单元(2)的光传感器(26)获得第i+1次激发光的第一个采样值A1和第二个采样值A2；
c)各个测温单元(2)的光传感器(26)获得第i+1次激发光的第三个采样值A3，同时数据处理单元(1)对第i+1次激发光的第一个采样值A1和第二个采样值A2进行积分和微分运算，得到第i+1次激发光的第一个积分后采样值B1；
d)各个测温单元(2)的光传感器(26)获得第i+1次激发光的第四个采样值A4，同时数据处理单元(1)对第i+1次激发光的第三个采样值A3和第一个积分后采样值B1进行积分和微分运算，得到第i+1次激发光的第二个积分后采样值B2；
e)重复利用步骤d)的方法，直至各个测温单元(2)的光传感器(26)获得第N个采样值AN，完成第i+1次激发光的信号采样，同时，数据处理单元(1)对第i+1次激发光的第N-1个采样值AN-1和第N-3个积分后采样值BN-3进行积分和微分运算，得到第i+1次激发光的第N-2个积分后采样值BN-2；
f)数据处理单元(1)对第i+1次激发光的第N个采样值AN和第N-2个积分后采样值BN-2进行积分和微分运算，得到第i+1次激发光的第N-1个积分后采样值BN-1；
g)数据处理单元(1)根据各个测温单元(2)第i+1次激发光的第N-1个积分后采样值BN-1，输出相应的温度数据,获得M个第i+1次温度数据。
8.根据权利要求7所述多通道荧光光纤测温方法，其特征在于，还包括步骤h)：数据处理单元(1)对每个测温单元(2)多个连续获得的温度数据进行概率统计，并根据概率统计结果，调整光源发生器(21)的发光强度。
9.根据权利要求3所述所述多通道荧光光纤测温方法，其特征在于：步骤4)中，所述滤波为依次进行的消抖滤波、数字一阶滤波和卷积滤波。
10.根据权利要求5所述所述多通道荧光光纤测温方法，其特征在于：所述M为4；
所述N为800～1300。
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