杨建

摘 要： 针对传统分布式光纤温度传感系统测温精度较低、稳定性较弱的弊端，设计基于TEC的嵌入式的高精度温度传感系统。设计系统的总体架构，其由温度传感主板与温度传感子板构成。用DS18B20温度传感器采集温度信号，设计该温度传感器的结构并设计基于LED的温度显示模块，向用户实时呈现温度结果。系统边缘滤波解调模块由光路以及电路构成，通过光路弥补光和温度变化导致测温误差高的弊端，确保温度测量结果更加精确。系统软件部分详细分析了系统温度传感器的解调方法，基于温度传感器中光纤的布里渊散射与瑞利散射强度受到来自噪声与系统温漂的影响，通过计算多个分段温度的平均值获取准确的温度测量结果。实验结果表明，设计的系统在测温精度和稳定性方面具有显著优势。

关键词： TEC； 传感系统； 边缘滤波； 温度传感器； 解调方法； 系统设计

中图分类号： TN253?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）14?0044?04

Design of an embedded high?precision temperature sensing system based on TEC

YANG Jian

（School of Electrical and Electronic Information Engineering， Sichuan University Jinjiang College， Meishan 620860， China）

Abstract： In allusion to the disadvantages of low temperature measurement accuracy and poor stability of the traditional distributed optical fiber temperature sensing system， an embedded high?precision temperature sensing system based on TEC is designed. The overall architecture of the system is designed. The system is composed of the temperature sensing main?board and sub?board. The temperature signals are collected by using the DS18B20 temperature sensor. The structure of the temperature sensor and the temperature display module based on LED are designed to display temperature results to users in real time. The edge filtering demodulation module of the system is composed of the optical path and circuit. The optical path is used to compensate for the big temperature measurement errors caused by light and temperature variation， so as to ensure the temperature measurement results to be more accurate. In the software part of the system， the demodulation method for the temperature sensor of the system is analyzed in detail. Based on the fact that the Brillouin scattering and Rayleigh scattering intensities of the optical fiber in the temperature sensor are influenced by noises and the temperature drift of system， the average value of each segmented temperature is calculated to obtain the accurate temperature measurement results. The experimental results show that the designed system has a significant advantage in the aspects of temperature measurement accuracy and stability.

Keywords： TEC； sensing system； edge filtering； temperature sensor； demodulation method； system design

傳感器是一种先进的信息技术，特别是温度传感器在工农业生产、环境、军事以及探测等领域具有较高的应用价值。对环境温度的检测以及控制应用范围广，采用数字温度传感器设计不同传感系统日益成为学者关注的重点。某些领域对温度精度具有较高的要求，当前的温度传感器系统无法满足需求。因此，设计高精度温度传感器系统成为当前传感控制领域发展的新方向[1]。

为了满足相关行业的技术需求，弥补传统分布式光纤温度传感系统测温精度较低、稳定性较弱的弊端，研发高精度、稳定性强的温度传感系统势在必行。本文设计的基于嵌入式高精度温度传感系统解决了上述问题。

1 基于TEC的嵌入式高精度温度传感系统设计

1.1 系统总体设计

本文设计基于TEC（半导体制冷器）的嵌入式高精度温度传感系统。温度传感主板与温度传感子板共同构成了本文系统的主体。各路子板获取电源、温度传感信号以及温度设置信号等信息是通过主板来实现的。子板获取到相应的信号信息之后，开始执行控制TEC温度的命令，达到控制匹配光栅温度的目的[2]。通过把匹配光栅用铁质封装片依附在TEC上，且保存在密封材料中的方式确保其免遭周围不确定因素的干扰。为了让TEC能够正常发挥其制冷的功能，在其热端安装了散热器。

LTC1923是子板的核心部分，TEC是子板的温度控制终端。温度显示模块、边缘滤波解调模块、DS18B20温度传感器、以及放大电路共同构成了温度控制子板的主体。A/D转换器的温度设定值与TEC端面当前温度的差值被LTC2053构成的差值放大电路进行扩大后输送给LTC1923的补偿电路。将得到的输出和LTC1923三角波信号进行对比获取到脉宽调制信号。经过该脉宽调制信号的计算并且扩大来获取一定的驱动信号。驱动功率H桥电路的运转依赖于该驱动信号的作用[3]，以此实现TEC端面的温度控制。

1.2 DS18B20温度传感器设计

本系统采用的是DS18B20新型智能温度传感器，其低成本、组装简便、高精度以及无需A/D转换等优点弥补了传统温度传感器接收信号布置复杂、易受外界干扰的弊端。但其抗腐蚀性较低，好在可以通过与外界易腐蚀因素隔绝的方式解决此问题[4]。

由于温度的变化不会影响到低温度系数晶振的震荡频率，因此固定频率脉冲信号的形成得以实现。将此信号输入到计数器1中，高温度性质系数晶振的震荡率会随着温度的变化而改变，计数器2的输入正来源于此。预置计数器1与温度寄存器在-55 ℃相应的基数值中，输入到计数器1的脉冲信号将被实施减法运算，通过对低温度系数晶振输入到计数器1的脉冲信号实施减法运算的方式来保证计数器1的预设值减少为0；温度寄存器所得到的数值是加1，这是应对计数器1的预设值进行重新设置，低温度系数晶振的脉冲信号又被重新输入到计数器1中开始实施运算。这一过程不断循环直到计数器2也为0，此时温度寄存器的累计加和应马上终止，获取的显示数值即当下实际测量温度[5]。

1.3 温度显示模块设计

温度显示模块在本文系统中发挥着温度显示作用[6]。温度显示是通过LED来实现。LED通过段码和位码进行划分。LED显示出“8”的8位数据的功能要归功于段码，具体步骤是：采用译码电路把输入的4位二进制数转化为与LED显示相一致的8位段码。LED的显示使能端要依靠位码来实现。通过循环扫描不同LED的方式确保使能各LED的情况下，输入想要显示的数据对应的8位段码，就能达到8个LED共同显示数据的状态。

1.4 边缘滤波解调模块设计

1.4.1 边缘滤波模块结构设计

边缘滤波解调模块在光和温度变化的影响下[7]，本文系统的测量温度功能会受到一定的影响。为解决这一问题，引入了光路作为边缘滤波解调模块的一部分。光路以及电路部分构成了整个调节模块的主体。宽带光源、耦合器、传感器、边缘滤波器构成了光路部分；光电探测器、滤波电路、光电转化器、DPS处理电路、显示電路以及键盘控制电路构成了电路部分，如图1所示。

1.4.2 边缘滤波解调原理

Melle在1992年创立了一种线性边缘率比解调系统，又被称为分束非平衡滤波法。设置边缘滤波器输出光强的变化量为[ΔI]，波长漂移量为[λ-λ0]，两者为正比关系，详细函数如下：

[Fλ=Aλ-λ0] （1）

式中：[A]为边缘滤波器的斜率；[λ0]为截止波长；[λ]为输入边缘滤波器的光波波长。

1.5 系统温度传感器解调方法

在本文设计的基于嵌入式高精度温度传感系统中，布里渊散射信号的频率以及强度会受到温度的作用。为获取沿光纤的温度排列，本文采用了光时域反射仪。在信号解调的过程中，采用结构简单灵活且依赖于强度的解调系统光路作为其中部分。光纤自发布里渊散射信号中斯托克与反斯托克两者的总强度为：

[IB（l）=IR（l）T（l）Tfρv2aβT-1] （2）

式中：[IB（l）]，[IR（l）]表示光纤的自发布里渊散射与瑞利散射强度；[T（l）]，[Tf]，[βT]，[ρ]和[va]分别表示光纤中某点的温度、材料构型平衡温度、等温压缩系数、材料密度和声速。分析式（2）可得，温度与应变的函数是自发布里渊散射强度，其中应变对温度的影响要强于对强度的影响。在光纤所受应变是零或者均匀的情况下，应使用光纤的瑞利光时域反射仪曲线来解调布里渊散射光时域反射仪曲线[8]，以获取沿光纤的温度排列。

2 实验分析

2.1 系统精确度检测

为了验证本文设计的基于嵌入式高精度温度传感系统测量温度的精确度，将本文系统采用的传感器与数字传感器进行参考实验（此处采用的数字传感器精度是0.25 ℃，精确度极高）。将两种不同的传感器同时放置在恒温水槽内[9]，对其实施升温、降温操作，提高了实验的真实性以及可信度。两者在水槽内的详细温度变化如图2所示。数字传感器的温度测量状况用虚线表示，本文系统采用的传感器温度测量状况用实线表示。图1清晰地显示，两条线上下走势相差无几，吻合度相当高，表明本文设计的基于嵌入式高精度温度传感系统精确度极高。

2.2 系统稳定性检测

为了验证本文设计的基于嵌入式高精度温度传感系统稳定性，对其进行了实验分析。实验步骤如下：将本文系统使用的温度传感器放置在水槽中，为保证实验的准确性令水温长时间稳定在65 ℃不变，这段期间内准确地记录所得数据，仔细观察传感器的稳定性[10]。图3详细描述了传感器温度曲线变化，不难看出，实验每隔104 s记录一次数据，共记录3个104 s，总时长大于8 h，测试温度是65 ℃，传感器的温度波动均小于0.1 ℃。实验结果表明，本文设计的基于嵌入式高精度温度传感系统稳定性极强。

2.3 恒温箱测温检测

为了检测本文系统和传统分布式光纤温度传感系统的实测温度情况，将本文系统采用的传感器与传统系统采用的传感器同时分三次放置在恒温箱内，每段时间内设置恒温分别为298 K，进行对比实验，实验结果如表1所示。

从实验数据结果可以看出：本文系统采用的传感器的测量误差均小于0.3 K；分布式光纤温度传感系统采用的传感器测量误差均在1 K以上；本文系统的测量结果与传统系统相比更接近于平均值。实验结果表明，本文设计的基于嵌入式高精度温度传感系统具有测量精度高、误差小的优势。

3 结 论

本文设计的基于TEC的嵌入式高精度温度传感系统弥补了传统分布式光纤温度传感系统测量温度情况不稳定、误差大等弊端，为现代水利工程建设、电力设施的发展提供了新的测量手段。

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