光纤式钢水温度测量仪的研制

论文摘要

在钢铁冶炼的过程中,钢水或铁液的温度是决定钢铁质量的最重要参数之一。炼钢过程中的有关钢水温度的测量是极其重要的。钢水温度之高,检测环境之恶劣使钢水温度测量成为炼钢工业中的一个难题。研制一种能快速,准确,连续测量钢水温度的测量仪对提高钢铁产品产量和质量有重要的意义。本课题就是针对钢水连续测温,并结合实际的测温环境,研制出了光纤式钢水温度测温仪。文中详细叙述了课题设计的理论依据以及应用,根据普朗克定律和维恩位移定律推导出了比色测温的理论公式,并分析了该方法的优点：该系统能大大降低发射率对测温结果的影响,在最佳条件下,该影响可降至零。设计方案共分为三大部分：高温探头的设计研究、光电转换和电信号的放大、信号的处理过程。具体的步骤是先将光纤探头插入熔融金属提取光信号,光信号经过光纤传输经光纤耦合器分成两路信号,两路信号分别进入两个频率不同的窄带干涉滤波片,分别进行光电转换、一次放大、滤波、二次放大,再将两路信号接入模拟开关CD4053采用分时的方法送入模数转换单元A/D1674,把转换成的数字信号送入单片机系统AT89C51进行信号的处理,并将处理后的数字信号通过MAX508转换成模拟信号,输出标准的电压值,且该电压值与温度值是一一对应的。在软件设计方面,采用了模块化设计思想,设计了与硬件配套的软件,同时也进行了软件抗干扰的设计。系统软硬件分别调试通过后还进行了系统的联调,系统的仿真,仿真利用了伟福仿真器E6000/T,节省了系统开发的时间。最后通过模拟实验验证了光强和电压之间近似线性的关系,同时分析了该仪器测量时存在的误差。总之,在高温领域,采用光纤式测量钢水温度的方法比其它测温方法有很多优势,如：可实现连续测温,测温费用比传统的热电偶的方法低等。课题验证了采用比色法测量钢水温度的可行性,同时说明了光纤技术在高温测量中应用的先进性和必要性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 有关国内外钢水温度测量研究现状
• 1.3 国内外温度检测技术的发展趋势
• 1.4 国内外仪器仪表的发展趋势
• 1.5 比色测温仪的发展概况
• 1.6 课题来源及本文的主要内容
• 第2章 光纤式测温仪测温原理
• 2.1 物体的热辐射
• 2.2 热辐射的基本定律
• 2.2.1 基尔霍夫定律
• 2.2.2 普朗克定律
• 2.2.3 维恩位移定律
• 2.2.4 斯忒潘—玻尔兹曼定律
• 2.3 红外辐射测温
• 2.3.1 辐射温度TR
• 2.3.2 亮温度TL
• 2.3.3 色温度TS
• 2.3.4 三种测温方法之比较
• 2.3.5 比色法的优点与发展
• 2.4 比色测温法两波长的选取
• 1的选取'>2.4.1 λ₁的选取
• 2的选取'>2.4.2 λ₂的选取
• 第3章 测温仪光学部分的设计研究
• 3.1 光纤式高温探头的设计研究
• 3.2 光纤的选择及保护材料的选用
• 3.2.1 光纤的选择
• 3.2.2 光纤保护材料的选用
• 3.2.3 光纤耦合器的选用
• 3.3 光电转换的研究及元件的选择
• 3.3.1 窄带干涉滤波片的选择
• 3.3.2 光探测器的选择
• 第4章 测量仪电路部分的设计研究
• 4.1 电路部分的基本原理及结构
• 4.2 系统各部分的设计及器件的选择
• 4.2.1 第一级放大电路的设计
• 4.2.2 有源滤波器的设计
• 4.2.3 第二级放大电路的设计
• 4.2.4 模拟开关的选择及应用
• 4.2.5 A/D转换部分
• 4.3 单片机系统与扩展I/O口的设计
• 4.3.1 单片机型号的选择
• 4.3.2 单片机外围辅助元件的选择
• 4.3.3 程序存储器扩展
• 4.3.4 数据存储器扩展
• 4.4 D/A转换部分
• 4.5 印刷电路板PCB的设计
• 4.5.1 PCB生成之前的错误改正调试过程
• 4.5.2 印制电路板的布线
• 4.5.3 印制电路板的地线设计
• 4.5.4 印制电路板的尺寸与器件的布置
• 第5章 系统的软件设计
• 5.1 系统软件设计概述
• 5.1.1 系统软件设计的总体框架
• 5.1.2 数据采集子程序设计
• 5.1.3 数据处理的非线性自校正子程序设计
• 5.2 系统软件抗干扰的设计
• 5.2.1 输入通道的软件抗干扰设计
• 5.2.2 程序执行过程中的软件抗干设计
• 5.2.3 数字滤波软件的设计
• 第6章 系统的调试、仿真、实验及分析
• 6.1 系统调试
• 6.1.1 硬件调试
• 6.1.2 软件调试
• 6.2 系统仿真
• 6.3 系统的实验及分析
• 6.3.1 实验室的模拟实验
• 6.3.2 仿真试验及试验的结果曲线
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢