[發明專利]長距離自適應的熒光光纖測溫裝置及方法

有效

• 申請號: 201710013816.1
• 申請日: 2017-01-09
• 公開（公告）號: CN107044890B
• 公開（公告）日: 2019-08-30
• 發明（設計）人: 高藝;李紅亮;劉志勇;溫繼勝;徐洪垚;謝天才;劉濤
• 申請（專利權）人: 遼寧達能電氣股份有限公司
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 沈陽智龍專利事務所(普通合伙) 21115
• 代理人: 周智博;宋鐵軍

1.長距離自適應的熒光光纖測溫裝置，其特征在于：該裝置包括控制模塊(1)、激勵光源(2)、波分復用模塊(3)、光纖(4)、光纖探頭(5)、程控放大模塊(6)和光纖轉換模塊(7)；控制模塊(1)連接激勵光源(2)，激勵光源(2)連接波分復用模塊(3)，波分復用模塊(3)連接光纖(4)和光纖轉換模塊(7)，光纖(4)連接光纖探頭(5)，光電轉換模塊(7)連接程控放大模塊(6)，程控放大模塊(6)連接控制模塊(1)。

2.根據權利要求1所述的長距離自適應的熒光光纖測溫裝置，其特征在于：控制模塊(1)由MCU微控制器以及對應的外圍I/O驅動電路、通訊接口電路、AD采集電路(8)和D/A輸出電路(12)電連接，I/O驅動電路(10)、通訊接口電路(11)、AD采集電路(8)和D/A輸出電路(12)均連接至MCU微控制器(9)。

3.根據權利要求2所述的長距離自適應的熒光光纖測溫裝置，其特征在于：其中激勵光源(2)為波長為405nm的恒流LED光源，其中波分復用模塊(3)為1*2的波分復用器，復用波長為405nm和695nm，其中光纖(4)為塑料光纖或石英光纖，其中光纖探頭(5)是光纖端面有熒光物質的光纖探頭，其中光電轉換模塊(7)將695nm的熒光信號轉換為電信號，選用對應波段的光電二極管。

4.根據權利要求1至3中任意一項所述的長距離自適應的熒光光纖測溫裝置，其特征在于：程控放大模塊(6)包括前端緩沖(13)、可編程運算放大器(14)、固定放大器(15)和濾波電路(16)，前端緩沖(13)連接可編程運算放大器(14)，可編程運算放大器(14)連接固定放大器(15)，固定放大器(15)連接濾波電路(16)，濾波電路(16)通過AD采集電路(8)連接控制模塊(1)，控制模塊(1)通過D/A輸出電路(12)連接可編程運算放大器(14)。

5.根據權利要求4所述的長距離自適應的熒光光纖測溫裝置，其特征在于：濾波電路(16)為二級低通濾波電路，其中前端緩沖(13)為運放搭建的電壓跟隨電路，信號由運放同相端輸入，反饋電阻為0，負反饋強，工作穩定，輸入阻抗大，輸出阻抗小，具有阻抗變換作用；其中可編程運算放大器(14)是AD603，或者是其他可編程的運算放大器，其內部由R-2R梯形電阻網絡和固定增益放大器構成，加在其梯形網絡輸入端的信號經衰減后由固定增益放大器輸出，其增益通過更改增益控制接口的參考電壓決定，而這個參考電壓通過控制模塊(1)運算并控制D/A輸出電路(12)輸出控制電壓得來，通過AD采集電路(8)采集熒光的強度信號，從而實現增益的自動調節。

6.根據權利要求1所述的長距離自適應的熒光光纖測溫裝置，其特征在于：其中，控制模塊主要控制激勵光源發出激發光信號，以及負責對熒光信號進行解調，激勵光源為恒流源驅動的發光光源，波分復用模塊主要負責將激發光和熒光從光纖信號中分離，光纖探頭為光纖一端附有熒光粉的光纖，程控放大模塊主要用于對熒光信號進行可編程式的放大，通過控制模塊調劑放大增益，光電轉換模塊負責將從波分復用模塊中傳出的熒光信號轉成電信號，經過程控放大模塊最終送入控制模塊進行溫度的解調。

7.利用權利要求1所述的長距離自適應的熒光光纖測溫裝置所實施的長距離自適應的熒光光纖測溫方法，其特征在于：該方法利用控制模塊設定一個初始的放大增益值，通過控制模塊檢測熒光的信號是否達到溫度解調的標準，如果信號達不到檢測標準，則調節程控放大模塊的增益，反之亦然。

8.根據權利要求7所述的長距離自適應的熒光光纖測溫方法，其特征在于：該方法是通過檢測熒光信號的強度大小，根據強度的具體數值設定程控放大器的具體的增益值，如果熒光信號小于設定的閾值，則調節程控放大器的參考電壓，將熒光信號進行放大，使之達到能夠進行溫度解調的標準，反之則將程控放大器的增益調小，從而實現自動調節，當用戶接入不同長度的光纖探頭時，熒光光纖測溫裝置調節程控放大器的增益，使之能夠自適應不同長度的光纖探頭，使熒光光纖測溫裝置能更好的應用于長距離測溫的環境。

9.根據權利要求8所述的長距離自適應的熒光光纖測溫方法，其特征在于：所述根據強度的具體數值設定程控放大器的具體的增益值的具體規律為：：檢測到熒光信號強度很小則增大程控放大模塊的增益值，檢測熒光信號強度大，則減小程控放大模塊的增益值。

10.根據權利要求8所述的長距離自適應的熒光光纖測溫方法，其特征在于：具體的調節過程采用比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節，本發明通過調節D/A輸出電路12輸出的電壓值來自動調節程控放大模塊6的增益，已知模擬的PID公式為：

u(t)為D/A輸出電路12輸出的電壓值；

e(t)為熒光強度設定值與實際檢測到的強度值的差值；

K_p為比例放大系數；

T_i為積分時間常數；

T_d為微分時間常數；

為了用單片機實現PID控制規律當采樣時間T很小時可以通過離散化將這一方程直接化為差分方程，為此用一階差分代替一階微分，用累加代替積分，這時可用矩形或梯形積分作為連續積分的近似值，用矩形積分時得到數字式PID，其公式如下：

T為采樣周期；

由于要不斷的累加e_j，增加了計算量，所以這個公式又可以轉換為增量式算法:

e_k：當前熒光強度設定值與實際檢測到的強度值的差值；

e_k-1：上次熒光強度設定值與實際檢測到的強度值的差值；

e_k-2：上上次熒光強度設定值與實際檢測到的強度值的差值；

這樣根據近三次的誤差就可以進行PID的自動調節，可以根據實際檢測到的熒光信號強度自動調節程控放大模塊的增益，實現自動適應光纖探頭長度的目的。