本文一共涵盖3篇精选的论文范文,关于《温度传感器的论文(精选3篇)》，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。摘要：变电站作为电力系统的重要组成部分，其关键设备的温度关系着系统是否正常运行，一般情况下采用人工巡检测量的方法监测温度，费时费力，而且有些内部设备不能进行测量。
第一篇：温度传感器的论文
船舶摇摆能量回收型温度无线传感器设计
摘要：目前的無线传感器节点主要是以传统的化学电池作为供电电源，体积大，污染大，且电池的寿命限制了整个系统的使用寿命。现对能量回收型温度无线传感器进行研究，拟建立一种基于电磁感应的能量回收装置模型，回收船载环境中的摇摆能量，使其更加适应船载环境，大大延长其使用寿命。
关键词：无线传感器;船载环境;能量回收;电磁感应
0 引言
无线传感器结合了微型传感器技术、通信技术和集成电路技术等，能对环境或对象进行实时监测、感知和信息采集，并具有远程无线传输功能，无需器件的连接，能降低整个监测系统搭建的复杂程度和维护成本[1]。无线传感器节点通常采用便携式电源供电，电能耗尽后，无线传感器也将失效，电池的寿命往往限制着无线传感器的寿命。因此，无线传感器的设计通常要求降低其功耗[2]。这种设计可以在一定程度上延长无线传感器的使用时间，可是无法补充电池能量这一根本问题仍然没有解决，这仍是限制无线传感器发展和应用的重要因素。
在很多无线传感器的应用场合，存在着许多可转化、可利用的能量，回收这些能量并给无线传感器供能是一种切实有效的方法，例如利用压电效应回收环境中的振动能量[3]等等。当无线传感器应用在舰船上时，在海上航行的舰船必然会因受到海浪的冲击或推动而发生一系列复杂的船体摇摆运动[4]，这种摇摆能量在舰载环境中几乎无处不在，并且具有较高的能量密度。因此，研究一种装置将船载环境中的摇摆能量回收并转化为电能供应给无线传感器节点是一种切实有效可行的方法。
本文将对采集摇摆能量的器件进行设计，并将设计的器件和无线传感器结合起来，同时对无线传感器进行低功耗设计，以进一步延长其使用寿命。
1 总体设计
无线传感器节点中的器件和微机电系统在工作时必须有稳定的电流，但由于船体的摇摆运动是无规律、不规则的，所以收集到的电能也是不稳定的，无法直接供给设备使用，必须将其转换为稳定的电能之后才能正常使用。本设计的总体构思如下：将船舶的摇摆动能进行回收，稳压处理后向蓄电池充电，再由蓄电池向设备供电，同时对无线传感器做低功耗设计，进一步延长其使用寿命。本文提出的无线传感器系统框架如图1所示。
2 能量收集装置设计
环境中能量回收技术按照原理划分主要有三种类型：电磁式[5]、静电式[6]和压电式[7]。它们通过特定的机械结构将环境中的机械动能收集转化为电能，能有效改善传统无线传感器不能长期供能的缺点。船载环境中摇摆动能普遍存在，频率低且幅度较大，因此本设计拟采用基于电磁感应的电磁式能量回收技术来回收摇摆能量。
电磁式摇摆能量收集装置的结构模型如图2所示，该结构包括顶盖、外壳、磁珠、弧面支架和线圈。线圈固定在弧面支架下，磁珠能在弧面支架上自由滚动，当船舶摇摆时，磁珠在弧面支架上滚动，线圈感应到磁场变化产生感应电流。
目前，凌力尔特公司的芯片LTC3588集成了一个低损失全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器，能实现对电能的整流、稳压和控制，并且可以对蓄电池进行充电。电路结构如图3所示。
3 传感器模块(传感+处理)设计
传感器模块负责检测舰船船舱中的温度数据，采用定制的低功耗温度变送器。拟选用热电偶探头温度传感器WZPT-01，Pt100进行冷端温度补偿。温度变送器电路如图4所示。
AD7124-8是低功耗、低噪声、24位模数转换器(ADC)，系统的典型无噪码声分辨率约为15位，片内集成了系统需要的大部分构建模块，因而能够简化热电偶系统设计。
4 无线传输模块设计
无线传感器网络组网常用的技术有Zigbee、LoRa、NB-IOT等。其中NB-IOT基于现有蜂窝组网，在舰船环境无法使用。而LoRa是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，在同样的覆盖距离下，其相比Zigbee更加节能，而且信号经过扩频调制后频谱特征接近噪声，在信号安全和抗干扰方面有优势。LoRa模块低功耗通信距离远，通信距离可达十几千米，解决了低功耗和远距离不能兼得的难题。所以，无线传输模块选用国内某公司的RHF76-052 LoRaWAN模块，其采用SX1276系列LoRa专用基带芯片，MCU采用ST公司超低功耗STM32L052 ARM芯片。其中SX1276负责LoRa的物理层基带部分(信号接收发送、调制解调)，STM32L052负责LoRa通信协议的MAC层部分(数据成帧、帧检查、介质访问、差错控制)、传感器模块控制与数据采集以及电源管理，框图如图5所示。
变送器输出电压通过RHF76-052模块的MCU转换为数字信号，再根据传输协议数据打包后送SX1276发送。
无线传感器节点中，无线通信模块的功耗占整个节点功耗的大部分，降低无线通信模块的功耗是实现无线传感器低功耗的一个重要环节。在保证数据正常传输的情况下，应尽可能降低或简化不必要的控制信息，通过减少传输数据量来降低能耗;同时，通过节点“侦听—休眠”状态的改变来降低空闲侦听所带来的能量消耗。具体流程如图6所示。
5 结语
本文首先分析了船载环境的特点，确定摇摆动能是船舶在航行中分布广泛的一种能量;然后设计了能量回收装置，将装置通过LTC3588芯片与无线传感器结合起来，并且对传感器模块和无线传输模块进行了设计分析;最后通过对无线通信模块进行低功耗设计，进一步延长无线传感器的使用寿命。
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收稿日期：2020-02-19
作者简介：李振扬(1995—)，男，湖南湘乡人，在读硕士研究生，研究方向：机械电子。
通信作者：赵立宏(1967—)，男，湖南衡阳人，硕士，教授，主要从事机械电子、测控技术的教学与研究工作。
作者：李振扬 赵立宏
第二篇：基于低功耗广域传感器网络的变电站关键设备温度在线监测系统研究
摘要：变电站作为电力系统的重要组成部分，其关键设备的温度关系着系统是否正常运行，一般情况下采用人工巡检测量的方法监测温度，费时费力，而且有些内部设备不能进行测量。现通过研究低功耗广域网通信技术在变电站关键设备温度监测、管理、运行、维护等方面的应用，提出了一种基于低功耗广域传感器网络的变电站关键设备温度监测系统，其目的是实现变电站内高压进线、变压器、高压断路器柜、隔离开关、电缆搭头和电容器室等设备的在线温度监测、报警等功能。
关键词：低功耗广域通信;物联网;变电站;温度监测;智能化管理
0 引言
物联网是涉及多学科、知识高度集成的前沿热点研究领域，其快速发展对无线通信技术提出了更高的要求，专为远距离、低功耗、密集终端通信而设计的低功耗广域网也快速兴起[1]。本文在变电站高压断路器柜等关键设备温度监测领域，采用低功耗广域网通信技术进行温度监测系统的构建，充分利用其覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗小等特点，提高电力测温系统性能，并降低运维成本。
本系统采用低功耗广域物联网技术(LoRa)[2]对变电站的高压进线、变压器、高压断路器柜、隔离开关、电缆搭头和电容器室等关键设备的温度实现智能化管理，实现温度信息的在线监测、实时显示、预警报警等综合智能化信息管理，更加智能、无漏警、无虚警地实现告警信号采集与处理，满足智能变电站的设备运行管理要求。
目前电力无线测温通常采用ZigBee通信技术[3]，其特点是通信距离短、功耗低，通过MESH多跳组网，实现终端数据到通信中继或通信基站的数据传输。ZigBee通信技术采用2.4 GHz工作频段，会对Wi-Fi信号产生干扰，目前电力系统在推广专用Wi-Fi通信网络，所以采用ZigBee技术的无线测温设备会导致其与其他采用Wi-Fi网络通信的电力设备产生通信干扰，不仅影响测温数据的正常传输，还会影响到其他设备的正常通信[4]。
本系统首次将长距离、低功耗(LoRa)物联网技术在智能变电温度监测领域进行规模应用和实践研究，通过研究长距离、低功耗传感器网络的结构、传输协议和路由算法，填补长距离、低功耗物联网络技术在智能变电监测领域大规模集成应用的空白，验证其网络传输可靠性和数据安全性。
1 低功耗广域无线测温系统架构
本系统由无线温度传感器、传感网络通信基站、温度管理平台等组成，可以实时监测高压设备工作温度。系统测量的设备温度数据可在温度管理平台进行综合比较分析，如当前数据与历史数据、当前设备温度数据与环境温度数据、同类设备相间温度数据的实时比较。通过多数据的融合分析，可有效提高数据的准确性和可靠性。系统结构如图1所示。
该系统中，无线温度传感器采用低功耗MCU控制和处理技术，抗干扰能力强。设备天线采用特殊定制的平板天线，避免了普通鞭状天线在高压环境下容易尖端放电的缺陷，适宜在高压环境下运行;传感网络通信基站，负责自动接收无线温度传感器所发送的温度数据，并可通过以太网/3G/4G上传到监测管理中心。基站收到温度管理平台的召唤数据指令后，可上传监测点温度数据。通信基站采用单跳星型网络与温度传感器通信，实现对传感器的温度数据采集和命令发布。单基站的传感器管理容量大(可管理上万个无线传感器)[5-6]，系统扩展性强。温度管理平台具有在线采集并分析现场温度的功能，保障了电力设备稳定运行。
2 系统技术特点
系统中的无线测温终端与通信基站采用星型网络结构，终端与基站间采用低功耗广域通信技术，该技术以低功耗和长距离通信为特点，实现终端大容量、广域无线通信覆盖。本文主要介绍无线测温传感器的低功耗技术、低功耗广域网络的抗干扰技术以及系统的无线通信安全技术。
2.1 低功耗设计
无线传感器网络的节点数量大、电池小、能量有限，而传感器网络覆盖区域大，如何设计合适的通信机制并实现能源高效利用是无线传感器网络设计面临的难题[7]。
首先终端传感器的功耗需要降低，在硬件和软件协同方面系统地研究无线传感器的低功耗设计策略。在硬件方面主要是对低功耗射频唤醒机制、动态功率管理和动态电压调节技术以及射频器件、微处理器等器件的选择和电源管理策略等方面进行研究，在软件方面主要是对低功耗传感网络协议、节点级低功耗数据融合算法等方面进行研究。通过软硬件低功耗设计，实现节点休眠功耗1 μAh，平均功耗低于5 μAh，如果供电电池为500 mAh，则节点寿命可达10年以上，即可满足大多数工业应用需求。无线测温传感器功能框架如图2所示。
我们针对变电站高压带电设備无线温度传感器的低功耗设计技术进行了大量研究。由于高压带电设备的无线温度传感器具有无法随意更换电池以及电力检修周期较长等特点，本设计在长寿命一次性电池供电和环境获取能源技术、超低功耗路由算法、动态心跳占空比等方面进行了深入研究，设计的低功耗传感节点满足电力无线传感器网络对监测周期的要求和节点功耗最低化的要求。
2.1.1 低功耗射频唤醒机制研究
传感器节点主要包括传感器模块、无线通信模块和处理器。处理器和传感器模块的功耗由于工艺进步变得很低，无线通信模块功耗还是很高的，因此需要重点研究通信模块的节能。本设计提出了一种低功耗唤醒机制，通过采用低功耗的射频唤醒电路，感知其他节点唤醒请求，从而唤醒通信模块和MCU来响应其他节点的请求，满足无线传感器网络的低功耗与实时性要求。
2.1.2 动态功率管理和动态电压调节技术研究
系统的技术指标包括驱动能力、稳定性、处理速度、线性度等，如果是非关键指标，可以根据传感器需求，降低技术指标来减少系统功耗。
根据明确的技术指标，系统通过对动态功率管理和动态电压调节技术在无线传感网络系统中的应用研究，具体在降低电源电压，减少系统电路门数，降低时钟频率以及系统中静态功耗低的CMOS芯片器件的应用等方面，实现信号获取单元及处理单元消耗功率的降低，即从硬件角度降低网络化传感器的功耗。
无线传感节点的其他功耗器件，如无线收发单元、处理器、内存等，可以通过动态功率管理技术使其运行在节能模式下，也可以减少能量消耗。
另外，传感器的工作负荷是随时间变化的，因此可以采用动态电压调节技术，动态地改变微处理器的工作电压和频率，使其刚好满足当时的运行需求，从而在性能和能耗之间取得平衡。根据节点的负载确定节点处理器速率，再根据这个处理速率来确定下个时隙处理器的工作电压和工作频率，以实现降低无线传感节点能耗的目的。
2.1.3 传感器数据融合算法与边缘计算研究
通过对变电站内多种关键设备温度信息实现自动融合，实现设备运行温度、温升和相同设备相间温差等信息的综合分析处理，可更加智能、无漏警、无虚警地实现告警信号采集与处理，并可降低通信频率以降低传感器功耗[8]。基于对传感器网络中数据的研究，结合网络管理实时性的要求，通过对不同融合策略的分析，本设计在满足系统寿命周期和实时管理要求的条件下，实现了对相似数据和异常数据的识别判断，对相似数据的合并或捎带传输，对异常数据的剔除，避免了发送无效数据，提高了数据准确性，并降低了传感节点的功耗。
2.2 抗干扰技术
本系统采用线性扩频通信技术(CSS)和跳频-正交频分复用(FH-OFDM)扩频通信技术，实现变电站监测网络所需的长距离、低功耗和大容量终端管理功能。CSS技术具有较强的抗频偏能力、抗衰落能力、抗截获能力，并且处理增益大、传输距离远、系统功耗低，在复杂的环境中也可以进行可靠通信[9]。
CSS不但具有上述特点，而且由于自身独有的脉冲压缩特性，能够有效将传统的幅度调制、频率调制和相位调制结合到一起，形成一种高效的多维度多址技术，能够充分利用珍贵的频谱资源，低能量传送信息，满足低速低功耗无线网的需求。同时，由于线性扩频信号的产生和匹配处理主要是通过声波滤波器(SAW)来完成，声波的传播速度只有电磁波的约十万分之一，所以在声波滤波器上很容易进行信号的采样和处理，这也很大程度上降低了物理层的复杂度和功率消耗[10]。
系统同时在正交频分复用系统的基础上引入跳频技术，实现子载波跳频通信。系统中跳频通信的实现采用数字化方式，OFDM作为一种多载波调制技术，能够将频域高速数据流通过串并变换，在多个正交的子载波上进行传输，对系统的频谱利用率提高很大。
2.3 通信安全技术
无线通信安全是物联网通信领域的重要研究内容[11]，低功耗广域网络(LoRa)需要在通信技术和通信加密协议两方面实现通信安全保障。LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，采用线性扩频(CSS)技术构建通信网络，满足现在室内外通信对系统提出的抗干扰能力强、通信可靠稳定性好、发射功率低、系统电池持续时间长等要求。本通信系统终端设备发射功率很低，具有良好的电磁兼容性：即不仅具有抗干扰、抗噪声能力，同时由于其频点选择范围宽(能够避开其他通信设备频点)、发射功率低，也不会对其他设备通信造成干扰，十分适合在通信条件复杂的室内外环境中进行可靠通信。
本系统无线传感网络通信采用LoRaWAN协议[12]，该协议是物联网国际标准，具有完备的通信安全机制，包括双向认证、完整性校验和保密机制。双向认证作为网络连接的过程，发生在通信终端与网络服务器之间，确保了只有真正的和已授权的通信终端才能与真实的网络相连接。LoRaWAN协议的MAC和应用消息是经过认证、完整性保护和加密处理的，这种保护和双向认证机制共同确保了网络通信来自合法的设备。
LoRaWAN为终端设备和服务器之间的数据交换提供端对端的加密机制，在网络服务器和应用服务器之间采用双层加密认证机制，密钥采用AES128加密技术。通信终端加入网络或进行网络通信时，由终端64位EUI与网络服务器的网络秘钥和应用服务器的应用秘钥共同绑定，它们分别对应用层数据和MAC协议帧加密;信息收发密钥是由终端与网络服务器、应用服务器独立产生，抗干扰能力强。
应用秘钥是服务器和通信终端的根密钥，双方共同拥有，且不参与通信交换，因此攻击者无法通过窃听无线电而破解。因为双方具备相同的两个密钥，而AES128是对称加密机制，服务器和通信终端都可以有效使用该机制。同时为防止网络重播攻击，LoRaWAN在协议中采用绑定通信终端与任意或非重復的随机数方式进行验证加密，确保验证信息不被重复使用，以对抗网络非法重复攻击。
3 结语
本系统采用低功耗广域物联网所建立的大数量设备温度在线监测系统，是物联网技术在变电监测领域的一次创新性规模应用。系统从高压进线、变压器、高压断路器柜和电容器室等关键设备上采集温度数据信息，通过物联网和管理平台进行数据传递和信息交换，为变电站设备运行提供数据支持，有效提高了电网运行自动化、信息化管理水平，同时降低了现有电力设备温度监测的安装成本和后期运维费用。
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收稿日期：2020-04-16
作者简介：杨博(1991—)，男，河南新郑人，硕士，工程师，研究方向：电力物联网。
金佳奔(1991—)，男，江苏无锡人，工程师，研究方向：变电设备智能运检。
张煦(1986—)，男，湖南隆回人，硕士，工程师，研究方向：电力系统规划。
作者：杨博 金佳奔 张煦 顾晓峰
第三篇：虚拟仪器技术在光纤光栅温度传感实验教学中的应用
摘要:光纤光栅温度传感实验是配合“光纤通信原理”课程教学的重要创新型实验环节。本文将虚拟仪器技术引入该实验的教学中,实现实验数据处理,有助于学生建立有关实验内容的物理图像,调动了学生参与创新型实验的积极性和主动性,提高了实验教学的效果,为完善“光纤通信原理”课程实验教学体系提供了一种新思路。
关键词:虚拟仪器技术;光纤光栅传感;实验教学
作者简介:李永倩(1958-),男,河北定州人,华北电力大学电子与通信工程系,教授,工学博士,主要研究方向:光纤通信与光纤传感;张淑娥(1964-),女,满族,辽宁沈阳人,华北电力大学电子与通信工程系,副教授,工学硕士,主要研究方向:光纤通信与微波测量。(河北 保定 071003)
基金项目:本文系河北省高等学校省级精品课程“光纤通信原理”建设项目(项目编号:121106)的研究成果。
光纤光栅温度传感实验是电子信息科学与技术、通信工程等专业的创新型实验的重要组成部分。该实验包括两部分内容,一部分是搭建、调试实验系统,另一部分是编程处理实验数据,两部分内容的工作量都很大。教学中许多学生开始做实验时很投入,到实验中后期往往会产生厌烦和应付心理,导致实验效果不理想。为了激发学生的探索精神和创新意识,进而提高学生参与创新型实验的积极性和主动性,使学生在短时间内轻松地按要求完成本实验,任课教师在教学实践过程中尝试了将基于LabWindows/CVI的虚拟仪器技术引入到该实验的教学中。
LabWindows/CVI提供了丰富的数字信号处理函数,充分利用这些函数可使该实验的实验数据处理变得容易实现,大大简化编程的工作量。同时,学生通过简单编程调用不同函数就可以对比不同算法的数据处理结果,有助于学生牢固掌握本实验的基本理论和分析方法。LabWindows/CVI还具有丰富的图形图像显示控件,可以将实验结果以数据、曲线、图形等多种形式予以呈现,不但可以提高学生的实验兴趣,而且有助于学生加深对本实验的理解,从而有效地提高实验教学的效果。
一、虚拟仪器技术简介
近年来,虚拟仪器技术得到了迅猛发展。所谓虚拟仪器技术是指计算机技术、仪器技术和通信技术三者的有机结合,而虚拟仪器是以计算机为基础,以应用软件为核心的仪器系统。[1]与传统仪器相比,虽然虚拟仪器也需要硬件支持,但硬件仅仅是为了解决信号的输入输出问题,软件才是整个系统的关键,[2]通过编制不同的应用软件便可构成具有不同功能的仪器系统。计算机运算速度的大大提高和数字信号处理理论的丰富和完善,使虚拟仪器能够快速、准确地处理数据。将虚拟仪器技术引入教学当中,可极大地提高课堂和实验教学的灵活性和多样性,使得诸如信号合成与分解、信号时域及頻域分析、信号调制与解调、信号滤波等教学内容可以通过虚拟仪器技术形象直观地予以实现。
目前,已经有很多虚拟仪器的软件开发工具,由美国NI(National Instrument)公司开发的LabWindows/CVI和LabVIEW应用最为广泛,前者是基于C语言的软件编程环境,便于掌握C语言的开发者使用,后者采用的是图形化的编程语言。
二、光纤光栅温度传感实验系统
1.光纤光栅及其温度传感原理
光纤光栅是一种波长选择性反射器件,当宽带光波在光栅中传播时,入射光将在光栅中心波长上被反射回来,其余光透射不受影响,这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。
光纤光栅可将其中传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射,峰值反射波长为:
λβ=2neffΛ 式(1)
式中neff是光纤纤芯的有效折射率,为光栅的周期。当光栅周围的温度发生变化时,将导致光纤纤芯折射率和光栅周期的变化,从而使光纤光栅的中心波长发生移动,如图1所示。通过检测波长移动的情况,即可获得待测温度的变化情况。
2.光纤光栅温度传感实验系统
光纤光栅温度传感实验系统如图2所示,宽带光源发出的光经衰减器后送入可调谐法布里-珀罗(F-P)滤波器,可调谐F-P滤波器在扫描锯齿波的控制下在某一时刻只允许某一波长的光输出。光信号经耦合器后分成两路,一路送至由两个参考光栅构成的参考通道,利用参考光栅可对可调谐F-P滤波器存在的误差进行校正,另一路送至温度传感光栅,当可调谐F-P滤波器输出的光波长与传感光栅的中心波长一致时,这个波长的光将被反射,反射光经光电检测器转换成电信号送至数据采集卡进行数据采集,最后由计算机对采集到的数据进行分析处理,解调出光栅中心波长的变化,从而得到传感光栅当前的温度。传感光栅放置在温控箱中,温控箱中温度的变化会导致光栅中心波长发生变化。
三、虚拟仪器在光纤光栅温度传感实验系统中的应用
数据采集卡将参考通道和传感通道的信号采集后,需要对数据进行分析处理才能得到光纤光栅波长的变化。本实验系统采用了虚拟仪器开发平台LabWindows/CVI完成数据处理。
当温度发生变化时,传感光栅反射的光信号波长会发生变化,由于透过可调谐F-P滤波器的光信号的波长与所加的扫描电压存在对应关系,所以,只要分析出采集到的光谱信号的峰值对应的电压变化,就可以进一步计算出波长的变化,从而得到温度值。由此可见,寻找光栅反射光的谱峰位置成为本实验系统的关键。许多因素会对寻峰精度产生影响,所以在寻峰之前需对采集数据进行预处理,例如滤波、拟合等等。
虚拟仪器开发平台LabWindows/CVI提供了丰富的数据处理函数,学生进行数据处理编程时,只需要设置合适的函数入口参数,调用该函数就可以实现滤波、拟合等功能,从而减少学生编程的负担。同时,教师在设计该实验时,可要求学生对同一处理过程采用多种算法实现,寻找最合适的算法,而学生采用LabWindows/CVI实现这一要求也比较简单。
1.数据滤波处理
实验系统中不论是光路还是电路,都会有噪声耦合到有用信号中,从而影响寻峰的精度,所以需要对采集数据进行滤波处理。图3给出了采集到的原始数据波形,由图3可以看出,其中存在较大的噪声,很难判断峰值电压的位置。
本实验系统采用五阶巴特沃斯数字低通滤波器进行滤波,通带截止频率和阻带截止频率设置为9kHz和10kHz。LabWindows/CVI提供了三种IIR滤波器设计方法,包括多步滤波器设计法、单步滤波器设计法和传统滤波器设计法。由于采用多步滤波器设计法设计的滤波器比较稳定,所以本实验系统采用了多步滤波器设计法,实现过程如下:
filter_information = AllocIIRFilterPtr (LOWPASS,5); //分配并初始化5阶低通滤波器所需结构体
Bw_CascadeCoef (rate,9000,10000,filter_information); //产生级联形式滤波器的参数
IIRCascadeFiltering (ch0,sampsPerChan,filter_information,ch0Filtered); //对通道1的数据滤波
IIRCascadeFiltering (ch1,sampsPerChan,filter_information,ch1Filtered); //对通道2的数据滤波
滤波后的波形如图4所示,经过五阶巴特沃斯数字低通滤波器后,信号的信噪比大大提高,整个波形比较平滑,信号峰值所在位置比较明显,所以可以提高实验系统的测量精度。
学生在完成本部分编程时,要求学生改变滤波器的截止频率,以及采用切比雪夫滤波器、椭圆滤波器等其它类型的滤波器观察滤波效果,从而让学生体会本实验中滤波器的选择及数据滤波的重要性。
2.拟合处理
在数据采集过程中,由于单位时间内采集的点数是有限的,所以难免会发生光谱峰值点未被采集到的情况,此时直接寻峰会造成误差。同时,经过滤波后,仍会有噪声存在,如果噪声恰好出现在峰值点附近,也会影响寻峰的精度。为了避免上述情况出现,提高寻峰精度,在进行寻峰之前需要对数据进行拟合处理。
拟合所用的函数有很多,用哪一种函数进行拟合取决于光纤光栅反射谱的特点,需要根据实际情况选择最合适的函数进行拟合。由图4可以看出,光纤光栅反射谱经过光电检测器后形成的电信号的形状类似高斯函数,所以本实验系统中采用了高斯拟合寻峰算法。图5给出了经过高斯拟合后的光谱波形。LabWindows/CVI的函数库中提供了高斯拟合函数GaussFit( ),设置合适的参数后直接调用就可以实现高斯拟合。
LabWindows/CVI还提供了其它的拟合函数,例如最小二乘拟合法、多项式拟合法等,学生完成本部分编程时,可以通过对比观察不同的拟合方法对寻峰结果的影响。
3.寻峰处理
经过高斯拟合后的数据就可以直接用于寻峰处理,LabWindows/CVI提供了阈值峰值检测函数ThresholdPeak
Detector( )。寻峰时的阈值设置非常关键,寻峰函数只能寻到幅度超过阈值的峰值,如果阈值设置太小,有可能会把干扰噪声形成的峰误当成谱峰,如果阈值设置太高,又会漏掉峰值小于阈值的谱峰,所以阈值设置时要根据观察到的采集数据设置。由图5可以看出,幅度最小的峰值为0.15左右,为保证系统波动时能够正确寻峰,本实验系统将寻峰阈值设置为0.08,实验代码如下:ThresholdPeakDetector (ch0Fitted,sampsPerChan,0.08,20,&peakIndices,&peakNum);
四、結束语
实验教学是培养学生创新意识和能力的重要教学环节。为了适应高等院校培养创新型人才的发展方向,“光纤通信原理”课程组提出了构建“基础型、基础综合型、综合设计型、创新型”的分层次实验教学体系的目标,本文在作为“光纤通信原理”课程的创新型实验的“光纤光栅温度传感实验”的教学工作中,引入虚拟仪器技术,利用数据采集卡和虚拟仪器开发环境LabWindows/CVI实现了光纤光栅温度传感实验中的数据处理,并对虚拟仪器技术在光纤光栅温度传感实验中产生的有益效果进行了分析。实践表明,虚拟仪器技术的应用不仅大大提高了实验效果,增强了学生参与创新型实验的积极性和主动性,也为完善“光纤通信课程”实验教学体系开辟了新的思路和发展空间。
参考文献:
[1]张磊,丁永强.基于虚拟仪器的实验教学系统[J].信阳农业高等专科学校学报,2009,19(1):141-142.
[2]荣雅君,刘琳,高广峰,赵朋.虚拟仪器在实验教学中的应用[J].电力系统及其自动化学报,2009,21(1):78-82.
(责任编辑:苏宇嵬)
作者：李永倩 张淑娥 姚国珍 张 静