基于单片机的光纤高温计的研究与设计

1 引言

高温区（800-2000K）的精确测量已成为科学研究和工业生产中的重要课题。目前主要测量方法有接触式的热电偶温度计和非接触式的辐射温度计。与热电偶温度计和辐射式温度计相比，光纤高温计不仅提高了接触法测温的测量上限，延长了使用寿命，而且避免了辐射式测温的较大误差[1]，提高了测量精度。蓝宝石（单晶氧化铝）光纤具有高达2050℃的熔点，采用蓝宝石光纤制作高温传感器，利用单片机控制进行比色测温，同时，由通信系统将测量结果传到控制网络，基本可以满足高温测量的需求。

2 蓝宝石光纤高温计测温原理

蓝宝石光纤高温计是以黑体辐射理论为基础的温度传感器。传感器探头是在单晶蓝宝石光纤的一端制作封闭的圆柱形黑体腔，当黑体腔被置入待测温场后，腔体与外界温场达到热平衡状态，并发出黑体辐射信号，根据普朗克定律，蓝宝石光纤黑体腔置于温度为 的区域时，其单色辐射能通量为

只要求出两路光强比值，就可计算出被测物体的温度。

3 蓝宝石光纤高温计的设计

蓝宝石光纤测温系统的结构如图1所示。系统由蓝宝石光纤黑体腔、传光光纤、光纤耦合器、波分复用器、光电探测器、放大器、A/D转换装置、单片机、输出设备和网络接口等组成。传感器是在蓝宝石光纤上制作的耐高温黑体腔，黑体腔发出的光信号由蓝宝石光纤耦合到传光的石英光纤，然后经波分复用器分成两路不同波长的光信号，分别通过探测器转换为电信号，电信号再经放大、A/D转换进入单片机进行比色法的数据处理，最后由显示器输出测量结果。高温计可通过现场总线接口接入控制网络，实现通信功能。

图1 蓝宝石测温系统结构图

4 光纤高温探头的结构分析

探头是高温计的关键部分，探头的性能决定了高温计测温的上限、精度、重复性和稳定性。由于探头直接接触高温环境，所以对它的性能要求非常高。理想的高温探头应具备热辐射能力强、动态响应快、体积小等特点。因为黑体能够吸收全部入射辐射能并能完全发射出去，所以用烧结法在蓝宝石光纤一端形成一层氧化锆镀层，包围蓝宝石光纤形成一个圆柱腔，选择合适的参数，可以使这个腔的辐射特性接近理想黑体的辐射特性，这样形成的圆柱型黑体腔就是蓝宝石光纤高温探头。当黑体腔长度与直径之比为10时，其发射率大于0.99，探头黑体腔十分接近理想黑体。同时，在较宽的温度范围内，数值变化极小，即黑体腔具有稳定的热辐射。如果取更大的长度值，不但辐射强度不能增加，而且，黑体腔不再是等温腔，热容量增大造成测量灵敏度下降，空间分辨率降低。所以，若蓝宝石光纤直径为 0.7mm，探头镀膜的长度为7mm。黑体腔的厚度要尽可能薄以提高它的热响应频率。

5 波分复用器

石英光纤传出的光信号要进行分束，选取两个不同波长的辐射光波进行比色法测温，通常用分光镜和干涉滤光片进行分光。由于插入损耗非常大，使光纤中本来就不强的信号更加微弱，检测十分困难。另外，干涉滤光片和分光棱镜的体积大，结构复杂，可靠性低，与光纤不兼容。采用全光纤波分复用器，入射光波中不同波长的光波分别进入不同的传输光纤，只用一个器件就同时完成了光波的分束和滤波，减少了滤波损耗，提高了信噪比，在确保测量精度的同时，还降低了光电测量单元的成本。

全光纤波分复用器是一种对光波波长进行分离或合成的光无源器件，主要采用熔融拉锥法[2]制作，熔锥型全光纤波分复用器的原理是：器件在过耦合状态下耦合比随波长而变，其耦合机理是强耦合理论。熔锥型器件中，拉锥的效果是使两光纤纤芯靠近，使传播场向外扩展，以便在相当短的锥体颈部区域出现有效的功率耦合。因为器件的耦合度与熔区的波导条件有关，所以是波长的函数，当器件处于过耦合状态时，器件的输出特性与波长的依赖关系逐渐增强，以至形成振荡。于是这种过耦合状态下的熔锥耦合器就具有波分复用的功能。

在光纤通讯中，为了信号的远距离传输，选用了传输损耗小的单模光纤，通信中已有的采用单模光纤制备的波分复用器，虽然也可以避免干涉滤光片引起的插入损耗，但单模光纤的数值孔径极小，只能接收到微弱的信号，同样难以检测，因此单模光纤波分复用分路器不适宜用于高温传感器中。在光纤传感中，为了增加传输的信息量，应选用频带宽、数值孔径大的多模光纤制备的波分复用分路器。

6 显示与通信系统设计

由光电探测器输出的电信号首先要经过放大处理，再进入A/D转换器。单片机接收A/D转换器输出的数字信号，并计算两路信号强度的比值。由于在光纤测温系统中，信号强度比值与温度之间为非线性关系，所以先要根据系统参数计算比值与温度的对应值，列表存入存储器内，实际测量时根据计算出的比值进行查表，就可以得到相应的温度。显示器输出测量温度，现场总线接口设备用于实现测温仪表与控制网络的通信。

图2为显示与通信系统硬件结构图。

图2显示与通信系统结构图

单片机是信号处理的核心，完成控制、计算、查表、输出和通信等功能。ATMEL公司的AT89C55具有256字节RAM，32线I/O，3个16 位定时器/计数器，6向量两级中断，一个全双工串行口。支持软件选择的两种节电运行方式，空闲方式下，使CPU停止工作，而允许RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式下，片内振荡器停止工作，由于时钟被冻结，一切功能停止，只有片内RAM的内容被保存，直到硬件复位才恢复正常工作，以最大的程度降低单片机本身的功耗。此外，AT89C55设有静态逻辑，用于运行到零频率。片内集成的20K字节的程序存储器空间，使用户无须再进行程序存储器的扩展。由单片机计算并查表得到的温度值存放在RAM显示缓冲区，由LED显示器输出。

现场总线是一种全数字的双向多站点通信系统，每个节点在网络拓扑上都具有平等的地位，只是职能不同。执行测控任务的节点将采集到的数据和所执行的操作等信息转换为数字信号向网上发送，执行管理任务的节点以数字形式向网上发送命令。现场总线产品主要有 LONWORKS，CAN，PROFIBUS，HART，FF等。其中CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。由于其通信速率高，可靠性好，价格低廉等特点，特别适用于工业过程监控设备的互连。

CAN是一种多主总线，采用OSI底层的3层网络结构——物理层、数据链路层和应用层。虽然通信协议比较复杂，但在开发应用系统时可以将繁杂的协议撇开，因为专用的CAN控制器芯片能够完成物理层和数据链路层的全部功能，现场仪表只需进行简单的设计和编程，完成数据传送和处理工作即可。

Philips公司的SJA1000是适用于控制器局域网的高集成度独立控制器，具有完成CAN总线通信协议所要求的全部必要特性，可以完成物理层和数据链路层的所有功能。SJA1000内部配备42B的寄存器，使用了32个地址。这些地址可分为控制段、发送缓冲段和接收缓冲段。单片机与 SJA1000之间的状态、控制和命令信号的交换在控制段中完成。单片机在初始化时将SJA1000设置为复位模式，通过对控制段编程以配置通信参数。在运行期间，单片机通过读状态寄存器了解网络的状态。

SJA1000由单片机通过8位地址数据复用总线和基本读写控制信号进行控制。SJA1000的中断请求信号INT连至单片机的外部中断输入端，CAN控制器可通过中断进行数据通信。图3为采用SJA1000的CAN总线接口。

图3 CAN总线接口电路图

SJA1000的发送输出端TX0与接收输入端RX0、RX1分别经高速集成光电耦合器6N137隔离后与CAN总线接口驱动芯片82C250相连，82C250直接与物理总线相连。82C250是CAN控制器和物理总线之间的接口，可驱动110个同样采用82C250作为总线接口的节点。普通光电耦合器中的光敏三极管不能达到1MB/s的响应速度，因此，必须采用高速光电耦合器6N137进行光电隔离。6N137中采用了光敏二极管和门电路，可以满足高速数字信号的传输。6N137的应用实现了CAN总线与节点弱电智能部分间的隔离，有助于提高节点装置的安全性和可靠性。

7 主程序设计

主程序对系统的运行起着调动和监控的作用，主要功能为启动两路A/D转换、读取两路电压数据、计算比值、查表求温度值、送LED显示、与CAN总线通信等。