一種光纖比色測溫儀設(shè)計方案

摘要：介紹一種基于DSP和MCU雙處理器的內(nèi)調(diào)制光纖比色測溫儀的設(shè)計原理。測溫儀以AT89C55和TMS320F206為核心，對內(nèi)調(diào)制光電探測器進(jìn)行線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償，并加入比輻射率的修正。本系統(tǒng)能夠?qū)Νh(huán)境溫度變化大、周圍環(huán)境惡劣的高溫物體進(jìn)行高精度的溫度測量。

　　溫度測量直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，關(guān)系到生產(chǎn)成本。熔融狀態(tài)下，鋼、鐵溫度在1200℃以上，主要測量方法有接觸式的金屬熱電偶溫度計和非接觸式的輻射溫度計。

　　筆者對利用內(nèi)調(diào)制探測器進(jìn)行高溫測量開展了多年的應(yīng)用研究，并研制出了基于單片機(jī)的光纖比色溫度儀;

　　基本上能完成溫度測量的功能。從武鋼連鑄、濟(jì)鋼轉(zhuǎn)爐等生產(chǎn)現(xiàn)場的使用情況看，儀器還可以進(jìn)一步改進(jìn)。由于單片機(jī)先天數(shù)據(jù)處理能力不足，當(dāng)要建立較為完善的處理模型，例如進(jìn)行線性補(bǔ)償及溫度補(bǔ)償;

　　發(fā)射系數(shù)修正、甚至進(jìn)行四比色測溫時，面對大量的數(shù)據(jù)要進(jìn)行復(fù)雜快速的處理，單片機(jī)已不可能實現(xiàn)實時測溫。引入DSP對數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理，強(qiáng)有力地提升了測溫儀的功能。采用主從式雙處理器結(jié)構(gòu)能較好地解決這些問題，并且還具有進(jìn)一步開發(fā)的潛力。

　　1 系統(tǒng)測溫原理

　　從經(jīng)典物理學(xué)的觀點看，任何黑體都會向外輻射能量，其輻射出度與溫度及波長有關(guān)，具體有普郎克定律和維恩定律描述。而物體的比色溫度簡稱色溫是指如果黑體與實際物體在某一光譜區(qū)內(nèi)的兩個波長下的單色亮度之比相等，則黑體的溫度為實際物體的顏色溫度。

　　根據(jù)比色測溫原理，假設(shè)兩路不同波長輻射轉(zhuǎn)換后的光電流分別為I1和I2，T為待求溫度，則可以寫出：

　　I1=Mλ1D1? (1)?

　　I2=Mλ2D2 ?(2)

　　式中，M是單色輻射出度，由維恩近似公式得到

　　?

　　由此可以得到：

　　D1和D2分別為兩路系統(tǒng)的系數(shù)，C1和C2分別為普朗克第一、第二輻射常數(shù)。當(dāng)λ1和λ2兩單色波長接近時，求出兩路光強(qiáng)比值，即可以計算出被測物體的溫度T。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)的信號處理總體流程

　　測溫儀系統(tǒng)主要由內(nèi)調(diào)制光電探測器、前置模擬處理部分和以單片機(jī)、DSP為核心的雙處理器控制及處理部分構(gòu)成。

　　內(nèi)調(diào)制光敏探測器輸出的微弱電信號由前置模擬電路處理，得到與光強(qiáng)成正比的電壓信號;兩路光電信號由兩個獨立的16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX195同步采集，同時數(shù)字溫度傳感器DS18B20得到環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，單片機(jī)將這些數(shù)據(jù)傳遞給DSP;DSP再根據(jù)事先設(shè)定的修正模式及參數(shù)經(jīng)過運算處理后，得到被測溫度數(shù)據(jù)，反饋給單片機(jī);由單片機(jī)根據(jù)用戶的操作將溫度數(shù)據(jù)輸出到LED、微型打印機(jī)、上傳給微機(jī)或者通過D/A轉(zhuǎn)換以電流形式輸出給監(jiān)控儀表。

　　2.2 測溫儀硬件結(jié)構(gòu)

　　測溫儀硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)軟件由兩部分組成：作為主機(jī)的單片機(jī)MCU部分主要完成系統(tǒng)的外部接口、控制功能;作為從機(jī)的數(shù)字信號處理器則通過主機(jī)傳送來的各種數(shù)據(jù)通過一系列修正模型計算出溫度，然后將結(jié)果返回給主機(jī)。

　　這樣將原本由單片機(jī)處理需要花費很長時間的數(shù)學(xué)模型計算交給DSP，讓MCU和DSP各取所長，使得整個系統(tǒng)計算溫度的速度大大提高，提高了測溫儀的實時響應(yīng)特性。

　　2.2.1 單片機(jī)MCU部分

　　單片機(jī)主要負(fù)責(zé)信號的采集和人機(jī)接口。主要包括A/D采集和轉(zhuǎn)換模塊、與數(shù)字溫度傳感器DS18B20的接口模塊、顯示模塊以及鍵盤輸入處理模塊。

　　由于光敏管具有非線性特性，此外還受環(huán)境溫度的影響，因此，為提高測量精度，不僅要對其非線性進(jìn)行校正，還要對其溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償，這就導(dǎo)致其數(shù)字信號修正表是二維的。大量實驗結(jié)果表明，內(nèi)調(diào)制光敏管的輸出特性隨溫度變化的漂移相對其非線性較小，故先校正非線性特性，再對溫度進(jìn)行補(bǔ)償。[!--empirenews.page--]設(shè)被測物體輻射出的光信號經(jīng)過內(nèi)調(diào)制光敏管轉(zhuǎn)換后變成微弱電壓信號，再由放大器放大，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到的結(jié)果為Vi，測得環(huán)境溫度為Ti，假設(shè)T1≤Ti≤T2，對應(yīng)于修正表中的位置查表可以得到：在T1環(huán)境溫度時處于V1、V2之間，在T2溫度時處于V1′、V2′之間，分別查表得到光強(qiáng)值P1、P2和P1′、P2′，于是插值得到Pi、Pi′。

　　P為插值校正后的值，內(nèi)調(diào)制光電探測器輸出電流I與光強(qiáng)值P成正比，代入公式(5)便可以得到物體的色溫。

　　雖然選取兩個接近的波長作為測溫儀的工作波段，希望兩個波長處的單色輻射率近似相等，使得非黑體的色溫與它的實際溫度相等。但作為高精度的測量，仍不能忽視在冶金行業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)過程中，有某些金屬材料的輻射率隨波長的增加而減少，即所測的色溫高于物體的真實溫度。為了得到更精確的測量結(jié)果，必須考慮比輻射率的修正?？紤]到實際被測物體為非黑體，可以得到：

　　其中，T為非黑體的色溫，T′為非黑體的實際溫度。通過(9)式的修正，可以得到更為精確的結(jié)果。

　　2.2.2 針對不同測溫對象的模式處理

　　可以說，經(jīng)過線性補(bǔ)償、環(huán)溫補(bǔ)償以及各種修正的加入后，儀器已經(jīng)能應(yīng)付絕大部分高溫測量的需要。但在某些特定的應(yīng)用中，仍需根據(jù)現(xiàn)場的特殊環(huán)境和要求使測溫儀能夠更好地適應(yīng)不同的環(huán)境。

　　(1)連鑄現(xiàn)場鋼板測量模式：高溫的鋼板上會有塊狀的氧化層附著，氧化層的溫度相比鋼板的表面溫度要低得多。在生產(chǎn)中需要測量鋼板表面的溫度，而不是附著在其上的塊狀氧化層的溫度。因此如果不做任何處理，那么測溫儀的示值與鋼板表面的溫度肯定是不相符的。這種情況下，在DSP的數(shù)字濾波處理程序上必須能夠除掉氧化層的影響。

　　(2)轉(zhuǎn)爐鋼水溫度測量模式：程序通過信號的檢測，判斷出轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)工作狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動到一定角度時系統(tǒng)開始測量，在轉(zhuǎn)爐回轉(zhuǎn)之前可以通過分析信號準(zhǔn)確得出鋼水的溫度，而不是爐內(nèi)鋼渣等其他干擾物質(zhì)的溫度。將此溫度值保持到下次轉(zhuǎn)動爐體出鋼，以便工人記錄操作。由于現(xiàn)場干擾信號較大，要求軟件能剔除大量干擾信號。出鋼時爐口有大量的煙塵、熾熱的火焰，為得到鋼水的溫度，程序把連續(xù)測量的溫度值存儲下來后，利用統(tǒng)計誤差修正的方法對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到接近真實情況的溫度值。

　　3 實驗結(jié)果

　　測溫儀由武鋼溫度計量實驗室的高溫黑體輻射爐進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后對黑體爐的溫度進(jìn)行測量。在900°C～1700°C的測量范圍內(nèi)，與黑體爐的比照結(jié)果，測溫儀的測量精度在±1°C。

　　通過實驗室測試和現(xiàn)場使用情況看，本雙處理器系統(tǒng)響應(yīng)速度快(響應(yīng)時間小于15ms)、使用壽命長、抗電磁干擾、靈敏度高，使用范圍一般為900°C～1700°C，在一定程度上能克服少量的煙霧、水汽和粉塵的影響。