光纤温度传感器的设计与实现

·69 ·
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 30 卷
电 子 测 量 技 术
图 6 采集流程图 图 7 干涉条纹图像采集与处理
图 4 干涉条纹图像
2 信号检测及处理
2. 1 温度标定 (1) 方案 : 为使感温部分的光纤均匀受热 , 选择 2 个
5 cm的薄铜片将光纤夹入其中 。使用电烙铁为其加热 ,使 其温度变化范围加大 ,条纹移动明显 。对于其他不感温光
图 5 测温电路
本系统中所用的热敏电阻为负温度系数 。其特性可
图 3 光路准直示意图 (2) 产生的现象 根据前面论述的方案 ,通过光路调整等一系列过程 , 得到干涉图像如图 4 所示 。通过使光纤的感温部分受热 , 可以在监视器上观察到条纹的变化 。当温度升高时 ,条纹 几近匀速地向右移动 ; 当温度降低时 ,条纹向相反的方向 移动 。这样的变化较为规律 , 但是对于温度检测电路来 说 ,要求温度变化可测 ,从而得到定量的关系 ;对于图像检 测而言 ,条纹要尽量清晰 ,明暗对比强烈 ,才能在图像处理 时减少不必要的误差 。
研究设计
电 子 测 量 技 术 EL EC TRON IC M EASU R EM EN T TEC HNOL O GY
第 30 卷 第 2 期 2007 年 2 月
光纤温度传感器的设计与实现
王海潼 袁俊飞 刘姣姣
(武警工程学院通信工程系 西安 710086)
摘 要 : 本文设计了一种基于马赫2曾德尔干涉仪原理的相位调制型光纤温度传感器 。介绍了实现方法和实验现象 。 说明了通过热敏电阻标定温度与干涉条纹数之间关系的方法 。着重分析讨论了利用 CCD 进行干涉条纹采集及利用 MA TL AB 软件对条纹图像进行滤波 、边缘提取等处理的一种新方法 。给出了条纹移动数判别的程序编写方案 ,实验 中得到了较好的温度测量结果 。结果表明用此方法实现光纤温度传感是一个较为可行的方案 。 关键词 : 马赫2泽德干涉 ; 光纤温度传感器 ; CCD ; 图像采集与处理 中图分类号 : TP212 文献标识码 : A
为参考因素 ,以 60 s 为一个阶段 ,测量一次热敏电阻两端
电压 ,记录电压值 ,并根据公式得对应的温度 ,求得Δt 。同
时记录在这些点间的条纹移动数量 ,记为Δn。根据Δt 和
Δn 可得到温度与条纹之间的函数关系 。
(4) 结果分析
设条纹变化数为Δy ,温度变化数为Δx ,则根据实验数
据可以得到这样一个近似线性的函数关系式 :Δy = 8. 30Δx 。
以表示为 :
Rt = Rt0 exp B
1- 1 T T0
(1)
式中 : Rt 、Rt0 分别为温度 T 和 T0 时的电阻值 。根据式 (1)
以及压阻变换关系可以得到下面这个最终的根据电压的
变化从而测得温度变化的表达式 :
1 = 1 ln Ut + 1
(2)
T
B U t0 T0
(3) 数据处理
在测量过程中 ,为找到合适的电压测量点 ,选择时间
理 ,把像素值小于 32 ,且与其前相邻一个像素的差大于某 一值时 ,将其加上一个周期 ,转换为类似线性的函数 ,如图 10 所示 。
由图 (10) 可以得到移动条纹总的像素值 M = 820 ,除 以展 开 周 期 T = 22 , 即 可 以 判 别 移 动 条 纹 个 数 N = M/ T = 37 。
即温度升高 1 ℃,条纹移动 8. 30 个。如果标定起始温度 ,根
据这一关系 ,即可得到变化后的温度值。
2. 2 干涉条纹图像采集与处理
采用 MV PCI 专业图像采集卡采集干涉条纹图像 ,采
集程序如图 6 所示 。并对图像做如下处理 ( 见图 7) : 对
CCD 采集下来的图像 (见 7 (a) ) 需调用 imfilter 函数进行图
像滤波 (滤波结果见图 7 ( b) ) 。并使用阈值操作将图像转
换为二值图像 (见图 7 (c) ) ,从而很好地将对象从背景中分
离出来 。
通常温度的判断基于处理后的条纹图像 ,因此需采用 边缘检测来提取图像的特征 。在 MA TL AB 中使用专门的 边缘检测 edge 函数 ,调用 Sobel 算子进行检测 。结果如图 7 (d) 所示 。
由于确定的判别像素间距 ,程序在条纹小范围左右徘 徊的状态时难以判别 ,会产生误差 。因此 ,程序计算得到
的数据与前面测温时数出来的条纹个数 41～46 (120 s) 近 似 ,说明此程序的处理较为正确 。此时 ,根据前面温度检 测得到的结果 ,即条纹数与温度变化的关系Δy = 8. 30Δx , 得到温度变化值Δx =Δy/ 8. 30 = N/ 8. 30 = 4. 46 ℃,对照 前面热敏电阻计算的温度变化值 5. 27 ℃,结果较为一致 。 说明此程序可以用来判定条纹个数 ,对应温度变化与条纹 数的关系 ,就可以得到温度变化值 ,从而实现光纤温度传 感测量 。
·68 ·
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
王海潼 等 :光纤温度传感器的设计与实现
第2期
较高的凸透镜耦合 ,如图 2 所示。将激光器放在凸透镜的焦 点上 ,使其为平行光 ,然后再用另一个凸透镜将平行光聚集 到光纤端面上。整个耦合系统调整组装较容易 ,使用方便。
(2) 结果分析 通过上面的程序计算 ,得到距离标志位 32 最近的亮 条纹位置 R 的变化情况 (见图 9) 。可看出 , R 的值是有规 律地在变化 ,表明 R 存在周期性 。通过程序中得到的 r(条 纹边缘像素) 计算周期 ,即 T = 22 。根据相位展开的相关原
图 8 条纹记数程序流程图
Design and implementation of optical f iber temperature sensor
Wang Haito ng Yuan J unfei Liu Jiaojiao (Depart ment of communication , Armed Police Engineering College , Xiπan 710086)
0 引 言
光纤传感器是依靠光在光纤中传导时受到被测对象 的影响使光的强度 、波长 、相位或频率等参数发生改变 ,通 过检测接收光的各个参数来对被测对象进行检测或控制 的一种传感器 。相位调制是光纤传感器中最基本的调制 技术 ,与干涉测量机并用 ,即可构成相位调制的灵敏度较 高的干涉型光纤传感器 。本文以马赫2泽德干涉仪为理论 基础设计了一种光纤温度传感器系统 。
1 光纤温度传感器系统设计
1. 1 设计方案 系统原理如图 1 所示 ,采用可见光将光束直接射入 2
根经端面处理且并排放置的光纤中 ,同时为使 2 根光纤输 出的光强近似相等且最大 ,采用 2 个不同焦距的透镜来增 强光的耦合程度 。根据马赫2曾德干涉原理 ,在出口处 2 路 光纤并排紧密放置 ,发生干涉 。随后由 CCD 传感器接收 ,并 在监视器上观测温度变化时条纹的变化规律。一方面通过温
·70 ·
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
王海潼 等 :光纤温度传感器的设计与实现
第2期wk.baidu.com
图 9 距标定位最近的亮条纹分布图
Abstract :In t his paper , the optical fiber temperat ure sensor has a good applied p ro spect . The optical fiber temperat ure sensor based on t he t heo ry of Mach2Zehnder interferometer is researched and designed. The met hods and p henomena of measurement are int roduced. The relationship s between moving numbers of f ringes and temperat ure based on t hermal resistance are explained. A new met hod is analyzed and discussed which t he interference f ringes are detected by CCD sensor and t he image is filtered and edge ext racted in MA TL AB p rogram. The scheme of p rogram of distinguishing numbers of f ringes is showed. The result s of temperat ure measurement in experiment are obtained. The result s exp ress t hat t he met hods are more feasible schemes. Keywords :Mach2Zehnder interference ; optical fiber temperat ure senso r ; CCD ; image acquisitio n and p rocessing
21 3 条纹记数程序设计 (1) 设计思路 :根据边缘检测后条纹的图像质量 ,提取
图像质量较好的横坐标为 80 的一行元素的像素值 ,对其进 行扫描 ,得到像素值为 1 的位置 ,即条纹边缘的位置 ;由于边 缘提取得到的条纹是原来条纹的轮廓 ,所以 2 个边缘构成一 个亮或暗条纹 。因此需要将提取出来的边缘位置与原图像 进行对比 ,从而对条纹精确定位 ;判定离标定位置最近的亮 条纹的分布情况 ,找到条纹移动规律 ;计算条纹移动周期 , 借鉴光学测量中的相位展开原理 ,将图像变换为近似线性 的曲线 ,从而得到条纹移动过总的像素值 ,除以周期 ,即得 条纹移动个数。程序模块流程图如图 8 所示。
图 10 展开后的图像
4 结 论
本文系统地研究了以马赫2泽德干涉仪为理论基础的 相位调制型温度传感器的设计原理和实现方案 ,在信号检 测时通过 CCD 图像传感器采集干涉条纹 ,使用 MA TL AB 进行图像的分析处理记数 ,结合对于温度的标定 ,实现光 纤温度传感 。该方案有较理想的温度测量结果 ,为光纤温 度传感器的进一步研究和实用进行了有益尝试 。
纤 ,将其固定在绝热平台上 ,减小热源的影响 。 (2) 电路设计 : 本文使用热敏电阻标定温度与干涉条
纹数之间关系 ,由于热敏电阻随温度变化呈指数规律 ,即 其非线性是十分严重的 。当进行温度测量时 ,应考虑将其 进行线性化处理 。测温电路如图 5 所示 。
图 2 光路耦合示意图
②光路准直 :搭建实验平台时要注意使整个光路平行 于平台 ,这就需要利用光屏十字法来校准光路 。首先确定 激光束与实验平台平行 ; 其次在光路上分别加上透镜 ,调 整光具座使透镜前后的光斑落在十字的中心位置 。并且 依据透镜焦距 ,使光纤的端面尽量位于透镜的焦点上 。如 图 3 所示 。
度标定 得 到 温 度 与 条 纹 数 的 对 应 关 系 , 另 一 方 面 使 用 MATLAB 对采集到的干涉图像进行处理 ,通过程序自动判别 条纹数。从而得到温度的变化值 ,实现光纤温度传感测量。
图 1 马赫2泽德干涉型光纤温度传感器装置 1. 2 实现方法与现象
(1) 平台的搭建 为了得到较好的效果 ,实现中应注意以下问题 : ①耦合问题 :在光纤传感系统中 ,各部件采用耦合效率