一种光纤半导体温度传感器的研究

第２８卷第４期增刊仪器仪表学报Ｖｏｌ．　２８　Ｎｏ．　４２００７年４月　　　　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＡｐｒ．　２００７一种光纤半导体温度传感器的研究　　　　　　　　　　　　　　王志斌（燕山大学电气工程学院秦皇岛０６６００４）摘要：本文给出了一个单光源半导休温度传感测量系统，利用单片机控制光开关和采样保持器的运行，能够达到双光源侧温的目的，并可以有效消除光源波动和环境干扰。把小波分析引人信号处理中，实验表明，它具有很好的消噪效果，使整个系统的精度得到提高。关键词：温度测量；光开关；小波分析Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ａｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒＷａｎｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｚｈｉｂｉｎ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｙａｎｓｈａｎ　Ｕｎｉｚｅ－ｒｓｉｔｙ，　Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ　０６６００４，　Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ａ　ｎｅｗ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｗｉｔｈ　ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　Ｉｔ　ｃａｎ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｗｏ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｌｉｇｈｔ　ｓｗｉｔｃｈ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｏｎｅｂｏａｒｄ　ｃｏｍ－ｐｕｔｅｒ　ａｎｄ　ｓａｍｐｌｅ　ｈｏｌｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ．　Ｉｔ　ａｌｓｏ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｅｌｉｍｉｎａｔｅ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｃｈａｎｇｅ．　Ｔｈｅ　ｗａｖｅｌｅｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｏ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｉｓ　ｅｎｈａｎｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；　ｌｉｇｈｔ　ｓｗｉｔｃｈ；　ｗａｖｅｌｅｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ开关时间短，所需电压低，可以较好的满足系统要求。１引言由单片机通过控制电路控制光开关的选通，以决定两路光交替进人温度测量探头。同时，单片机还控制采利用光纤传感器进行温度信号的测量，已有很多　　　　样保持电路，以便区分温度探头输出的不同信号。２文献进行研究［Ｄ－２７，但光源的波动，探测器的老化，光纤个采样保持器均高电平触发，其输出经放大滤波后进传输损耗的变化都会给测量带来影响。本文利用一个人单片机系统进行进一步的信号处理。宽带光源，并进行稳压激励，同时采用小波分析进行相栩合器光应的信号处理，结果表明，它可以减小误差，提高系统稳压屯派ｃａｎｅ发光管开关的稳定性和精度。单２系统设计与检测原理片０Ａ生一竖机２．１系统组成放大够波曰州采样保持器［卜一，一」ＰＤ１传感器的系统组成如图１所示。　　　　放大旅波目－刁采样保持器２由ＧａＡ。发光管发出的宽带光经藕合器后分成两　　　　路，一路直接进人光开关，一路经滤光片后进人光开关。光开关选用固体磁光式光开关，它的插入损耗低，图１系统工作原理框图第４期增刊王志斌等：一种光纤半导休温度传感器的研究第一层高频系数２．２检测原理没有滤光片的第一路，　　　　光通过温度探头，同时启动采样保持器１，输出电压为第二层高频系数Ｕ　　，　＝Ａ，　ＪｒｃｎＲ（Ａ）Ｉ，（＊）二＊，，）。（，）。０　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）第三层高频系数式中Ａ，为放大器的放大倍数；Ｋ为各元件的等效藕合系数；Ｒ（Ａ）为尸刀的光谱响应度，Ｄ为光束的立体角；Ｈ（Ａ）为光纤传输系数；丁以，幻为传感头的透过率函ｚ产＿＝｝１ｔＳ：｝Ｔ｝｝ｋ７ｆｓ｝．，０ｏｓｏ　　　　　，００　　　　ｓｏ数；Ｉ，（Ａ）为光强。　　　　在第二路中，光经滤光片选择孟＞浇。的部分通过温度探头，同时采样保持器２启动，输出电压为。一，２丁。（，）；（＊，二Ｈ（Ａ）ｄ（２）凡　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ａ式中Ｔｏ为传感头的透过率函数，当Ａ＞Ａａ时，ＴＯ，　ｔ）是一个常数；Ａ。为一固定值；１２　Ａ（）为光强。经过除法处理得　　　　—）　Ｔ（Ａ，　ｔ）Ｒ（Ａ）　Ｈ（Ａ）ｄ１ｖ告石不厂－Ｕｔ　　　　Ａ小（Ａｖａ　　　　　　（３）Ａ，丁１ｓ　（Ａ）　ＴｏＲ（Ａ）　Ｈ（Ａ）　ｄ１由式（２）可知，除了（Ａ，　ｔ）外，其余各项与式（（１）中的各项在同一时间均有相同的扰动，只是系数不同而已，所以比值输出近似只与Ｔ（Ａ，ｔ）有关，可在很大程度上消除＋扰信号的影响。为简化硬件电路，除法处理在单片机内部进行。３小波分析及其消噪技术　　　　本文对含有随机噪声的信号，利用Ｄａｕｂｅｃｈｉｅ：小波系的ｄｂｌ小波函数进行了消噪处理，证明其具有较好的消噪效果，如图２所示。实验结果表明整个系统具有较好的线性特性，在２０－－１３０℃范围内，测量误差为士０．　５℃，如图３所示。图中，小正方形表示的数值是测量值，实线是理想曲线。原始信号　　　　　　　　，第三层１氏颐系数，ｏ眨・５ｏ一－一　　　　　　　　Ｓｏｏ一一－ｌｏｏｏ　　－１％一一５０１００　　　　１５０图２小波分解及信号消噪之　占印　沽　剐　　℃　　占ｏｏ　　　　　　　图３测量值与理论曲线比较　　　　　　４结论　　　　本文利用一个ＧａＡｓ宽带光源和滤光片配合，达到了双光源温度传感器的测量目的．本系统能够有效消除光源波动、环境变化等因素给测量带来的不利影响。用小波分析进行信号消噪，具有很好的消噪效果。参考文献［１〕赵勇，荣民，等．基子半导休吸收原理的光纤温度传感器研究．Ｕ〕光电子．激光，　　　　　　２００３，　１４（２）：　１４０－１４２Ｃ２〕许忠保，叶虎年，叶梅．半导体吸收式光纤温度传感器Ｕ７．半导体光电，２００４，　　　　　　２５（１）：６２－６４．