一种光纤比色测温仪设计方案

摘要：介绍一种基于DSP和MCU双处理器的内调制光纤比色测温仪的设计原理。测温仪以AT89C55和TMS320F206为核心，对内调制光电探测器进行线性补偿和温度补偿，并加入比辐射率的修正。本系统能够对环境温度变化大、周围环境恶劣的高温物体进行高精度的温度测量。

　　温度测量直接关系到产品的质量，关系到生产成本。熔融状态下，钢、铁温度在1200℃以上，主要测量方法有接触式的金属热电偶温度计和非接触式的辐射温度计。

　　笔者对利用内调制探测器进行高温测量开展了多年的应用研究，并研制出了基于单片机的光纤比色温度仪;

　　基本上能完成温度测量的功能。从武钢连铸、济钢转炉等生产现场的使用情况看，仪器还可以进一步改进。由于单片机先天数据处理能力不足，当要建立较为完善的处理模型，例如进行线性补偿及温度补偿;

　　发射系数修正、甚至进行四比色测温时，面对大量的数据要进行复杂快速的处理，单片机已不可能实现实时测温。引入DSP对数据进行高效处理，强有力地提升了测温仪的功能。采用主从式双处理器结构能较好地解决这些问题，并且还具有进一步开发的潜力。

　　1 系统测温原理

　　从经典物理学的观点看，任何黑体都会向外辐射能量，其辐射出度与温度及波长有关，具体有普郎克定律和维恩定律描述。而物体的比色温度简称色温是指如果黑体与实际物体在某一光谱区内的两个波长下的单色亮度之比相等，则黑体的温度为实际物体的颜色温度。

　　根据比色测温原理，假设两路不同波长辐射转换后的光电流分别为I1和I2，T为待求温度，则可以写出：

　　I1=Mλ1D1? (1)?

　　I2=Mλ2D2 ?(2)

　　式中，M是单色辐射出度，由维恩近似公式得到

　　

 

　　?

　　由此可以得到：

　　

 

　　D1和D2分别为两路系统的系数，C1和C2分别为普朗克第一、第二辐射常数。当λ1和λ2两单色波长接近时，求出两路光强比值，即可以计算出被测物体的温度T。

　　2 系统结构及设计

　　2.1 系统的信号处理总体流程

　　测温仪系统主要由内调制光电探测器、前置模拟处理部分和以单片机、DSP为核心的双处理器控制及处理部分构成。

　　内调制光敏探测器输出的微弱电信号由前置模拟电路处理，得到与光强成正比的电压信号;两路光电信号由两个独立的16位高精度模数转换器MAX195同步采集，同时数字温度传感器DS18B20得到环境温度数据，单片机将这些数据传递给DSP;DSP再根据事先设定的修正模式及参数经过运算处理后，得到被测温度数据，反馈给单片机;由单片机根据用户的操作将温度数据输出到LED、微型打印机、上传给微机或者通过D/A转换以电流形式输出给监控仪表。

　　2.2 测温仪硬件结构

　　测温仪硬件结构如图1所示。

　　

 

　　系统软件由两部分组成：作为主机的单片机MCU部分主要完成系统的外部接口、控制功能;作为从机的数字信号处理器则通过主机传送来的各种数据通过一系列修正模型计算出温度，然后将结果返回给主机。

　　这样将原本由单片机处理需要花费很长时间的数学模型计算交给DSP，让MCU和DSP各取所长，使得整个系统计算温度的速度大大提高，提高了测温仪的实时响应特性。

　　2.2.1 单片机MCU部分

　　单片机主要负责信号的采集和人机接口。主要包括A/D采集和转换模块、与数字温度传感器DS18B20的接口模块、显示模块以及键盘输入处理模块。

　　由于光敏管具有非线性特性，此外还受环境温度的影响，因此，为提高测量精度，不仅要对其非线性进行校正，还要对其温度特性进行补偿，这就导致其数字信号修正表是二维的。大量实验结果表明，内调制光敏管的输出特性随温度变化的漂移相对其非线性较小，故先校正非线性特性，再对温度进行补偿。