一种多通道半导体吸收光谱测温系统及测温方法与流程

1.本发明涉及光纤测温系统及方法，具体涉及一种多通道半导体吸收光谱测温系统及测温方法。


背景技术：

2.半导体吸收边缘波长λ与温度t正相关。在光源辐射强度稳定的前提下，当温度升高时，半导体吸收光谱边缘向长波长方向移动。根据半导体反射光谱与温度的关系，测量半导体反射光谱边缘波长移动量可以得到温度信息。解调反射光谱，建立反射光谱的吸收边缘波长与温度的函数关系，即可实现对温度的测量。
3.中国专利cn111323143a公开一种用于半导体吸收式光谱测温的信号处理方法，其在消除背景误差的吸收光谱曲线的基础上，通过pid控制积分时间，可以将吸收边光谱精确地控制在一定范围内，优化了吸收边波长的计算精度，间接提高了温度解调精度，但该信号处理方法采用已有的波长-温度对照表查询对应温度值的方式确定所测量的温度，由于不同仪器不同通道因硬件、光路差异，会造成不同仪器不同通道的波长温度对照表有较大差异，因此需要使用恒温装置进行一一标定。
4.此外，目前常用的半导体吸收光谱测温方法大都基于光谱测量平台，光谱测量平台对环境温度非常敏感，环境温度的变化容易引起测量光谱的波长发生漂移，大大增加了测量系统的测量误差。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决现有半导体吸收光谱测温方法或是需要使用恒温装置进行一一标定，或是由于环境温度变化造成的波长漂移导致测量误差较大的不足之处，而提供一种多通道半导体吸收光谱测温系统及测温方法。
6.为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
7.一种多通道半导体吸收光谱测温系统，其特殊之处在于：包括光纤探头模块、机箱、设置在机箱上的led数码管显示模块，以及设置在机箱内的光源模块、法兰连接模块、同步触发模块、耦合模块、ccd、fpga数据采集模块、dsp数据处理模块、mcu、数字温度模块；
8.所述光源模块包括n个led，所述法兰连接模块包括n个法兰，所述光纤探头模块包括n个光纤探头；第x个led的输出端通过第x个法兰与第x个光纤探头连接，第x个光纤探头的输出端通过第x个法兰与耦合模块、ccd、fpga数据采集模块、dsp数据处理模块、mcu、led数码管显示模块依次连接；n为不小于2的正整数，x为正整数，且1≤x≤n；
9.第1～n-1个光纤探头作为测温光纤探头位于机箱外，用于提供对应测温通道半导体吸收光谱曲线；第n个作为参考光纤探头位于机箱内，且参考光纤探头的输出端与数字温度模块的输入端连接，数字温度模块的输出端与mcu连接，用于提供对应参考通道半导体吸收光谱曲线；
10.所述n个led分别与同步触发模块相互连接，同步触发模块与mcu相互连接，用于切
换不同通道光纤进行分时工作；
11.所述ccd与mcu相互连接，用于将不同光纤探头分时工作所采集的光谱信号与其通道号一一对应；
12.所述mcu用于将dsp数据处理模块计算得到的特征波长结果换算为温度数据。
13.同时，本发明提供一种多通道半导体吸收光谱测温方法，其特殊之处在于，用于上述多通道半导体吸收光谱测温系统，包括如下步骤：
14.步骤1、mcu发送指令至同步触发模块，使同步触发模块触发光源模块中的第n个led开始工作；
15.步骤2、将第n个led发出的光通过第n个法兰传输至参考光纤探头，再由参考光纤探头通过第n个法兰传输至耦合模块，经耦合模块耦合后传输至ccd，然后由fpga数据采集模块进行数据采集后，传输至dsp数据处理模块中进行算法解调运算，将解调出的特征波长传输至mcu，得到参考通道半导体吸收光谱曲线其数组长度为m+1，其中λ表示波长，m为大于2的整数；
16.步骤3、通过参考通道半导体吸收光谱曲线计算参考通道有效波形i0(λ)；
17.步骤4、令x＝1；
18.步骤5、mcu发送指令至同步触发模块，使同步触发模块触发光源模块中的第x个led开始工作；
19.步骤6、测量采集第x个测温通道半导体吸收光谱曲线其数组长度为m+1，其中λ表示波长，m为大于2的整数；
20.步骤7、通过第x个测温通道半导体吸收光谱曲线计算第x个测温通道有效波形i
x
(α)；
21.步骤8、对i0(λ)与i
x
(α)进行插值计算；
22.步骤9、计算i0(λ)与i
x
(α)的距离d；
23.步骤10、读取数字温度模块数据；
24.mcu通过指令获取数字温度模块测量的温度τ，得到参考通道所处的环境温度；
25.步骤11、测温通道温度计算；
26.根据波长漂移与温度变化值的关系，结合i0(λ)与i
x
(α)的距离d、温度τ，计算出第x个测量通道的温度值t
x
；
27.步骤12、mcu输出第x个测量通道的温度值t
x
至led数码管显示模块；
28.步骤13、判断x是否等于n-1，若是，即完成多通道测温，结束流程，否则，令x加1，并返回步骤5。
29.进一步地，所述步骤3具体为：
30.步骤3.1、对半导体吸收光谱曲线进行一次差分得到v0(λ)，其数组长度为m；
[0031][0032]
式中，λk为有效波形i0(λ)第k个波长数值，λ
k+1
为有效波形i0(λ)第k+1个波长数值；
[0033]
步骤3.2、求取v0(λ)的最大值v
max
及最大值v
max
的索引值v
index
；
[0034]vmax
＝max{v0(λ)}；
[0035]
步骤3.3、对v0(λ)进行一次差分得到w0(λ)，其数组长度为m-1；
[0036]
w0(λ)＝v0(λ
k+1
)-v0(λk),k＝0,1,2,...,m-2；
[0037]
步骤3.4、求取w0(λ)的最大值w
max
及最大值w
max
的索引值w
index
；
[0038]wmax
＝max{w0(λ)}；
[0039]
步骤3.5、以w
index
为起点，v
index
为终点截取半导体吸收光谱曲线然后进行归一化处理，得到参考通道有效波形i0(λ)，其数组长度为l0。
[0040]
进一步地，所述步骤7具体为：采用步骤3所述方法，通过第x个测温通道半导体吸收光谱曲线计算第x个测温通道有效波形i
x
(α)，其数组长度为l
x
。
[0041]
进一步地，所述步骤8中，通过线性插值计算，使得i0(λ)与i
x
(α)的数组长度均为l；
[0042]
步骤9中，所述i0(λ)与i
x
(α)的距离d的计算式如下：
[0043][0044]
式中，l为有效波形i0(λ)与i
x
(α)的数组长度，αk为有效波形i
x
(α)第k个波长数值，i0(λk)为有效波形i0(λ)第k个光谱幅值，i
x
(αk)为有效波形i
x
(α)第k个光谱幅值。
[0045]
进一步地，所述步骤11具体为：根据经验值确定波长每平移增加1nm、温度升高a℃，结合i0(λ)与i
x
(α)的距离d、温度τ，按照下式计算出第x个测量通道的温度值t
x
：
[0046][0047]
式中，α0为有效波形i
x
(α)第0个波长数值。
[0048]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0049]
(1)本发明一种多通道半导体吸收光谱测温系统中，光纤探头模块包括n个光纤探头，第1～n-1个光纤探头作为测温光纤探头位于机箱外，第n个作为参考光纤探头位于机箱内，本发明通过测量参考通道所处环境温度，以消除ccd受环境温度影响造成波长漂移的问题，提升了系统测温精度。
[0050]
(2)本发明一种多通道半导体吸收光谱测温方法，通过参考通道与测量通道的半导体吸收光谱有效波形插值计算，有效消除了外界杂光干扰或者通道不一致带来的影响，从而进一步提升半导体吸收光谱温度解调精度。
[0051]
(3)本发明一种多通道半导体吸收光谱测温方法，通过设置参考通道，测量参考通道所处环境温度，可以有效消除不同仪器不同通道因硬件、光路差异造成的差异，进一步免除了查找波长温度对照比，以及使用恒温槽进行一一标定。
附图说明
[0052]
图1为本发明一种多通道半导体吸收光谱测温系统的结构示意图；
[0053]
图2为本发明一种多通道半导体吸收光谱测温方法的流程示意图；
[0054]
图3为本发明实施例步骤2中参考通道半导体吸收光谱曲线的示意图；
[0055]
图4为图3所示的半导体吸收光谱曲线经过一次差分所得的v0(λ)的示意图；
[0056]
图5为图4所示的v0(λ)经过一次差分所得的w0(λ)的示意图；
[0057]
图6为本发明实施例步骤3.5中参考通道有效波形i0(λ)示意图；
[0058]
图7为本发明实施例步骤7中测量通道有效波形i
x
(α)示意图；
[0059]
图8为本发明实施例步骤9中测温通道有效波形i0(λ)与参考通道有效波形i
x
(α)的距离d的示意图。
[0060]
附图标记说明如下：1-光源模块,11-led；2-法兰连接模块,21-法兰；31-测温光纤探头，32-参考光纤探头；4-同步触发模块；5-耦合模块；6-ccd；7-fpga数据采集模块；8-dsp数据处理模块；9-mcu；10-数字温度模块；110-led数码管显示模块；120-机箱。
具体实施方式
[0061]
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。
[0062]
参照图1，一种多通道半导体吸收光谱测温系统，包括光纤探头模块、机箱120、设置在机箱120上的led数码管显示模块110，以及设置在机箱120内的光源模块1、法兰连接模块2、同步触发模块4、耦合模块5、ccd6、fpga数据采集模块7、dsp数据处理模块8、mcu9、数字温度模块10。
[0063]
所述光源模块1包括n个led11，所述法兰连接模块2包括n个法兰21，所述光纤探头模块包括n个光纤探头；第x个led11的输出端通过第x个法兰21与第x个光纤探头连接，第x个光纤探头的输出端通过第x个法兰21与耦合模块5、ccd6、fpga数据采集模块7、dsp数据处理模块8、mcu9、led数码管显示模块110依次连接；n为不小于2的正整数，x为正整数，且1≤x≤n。
[0064]
第1～n-1个光纤探头作为测温光纤探头31位于机箱120外，第n个光纤探头作为参考光纤探头32位于机箱120内，且参考光纤探头32的输出端与数字温度模块10的输入端连接，数字温度模块10的输出端与mcu9连接，用于提供机箱120内的温度信息。
[0065]
所述n个led11分别与同步触发模块4相互连接，同步触发模块4与mcu9相互连接，用于切换不同通道光纤进行分时工作。
[0066]
所述ccd6与mcu9相互连接，用于将不同光纤探头分时工作所采集的光谱信号与其通道号一一对应；所述mcu9用于将dsp数据处理模块8计算得到的特征波长结果换算为温度数据。
[0067]
同时，参照图2，本发明公开一种多通道半导体吸收光谱测温方法，用于上述多通道半导体吸收光谱测温系统，包括如下步骤：
[0068]
步骤1、mcu9发送指令至同步触发模块4，使同步触发模块4触发光源模块1中的第n个led11开始工作；
[0069]
步骤2、将第n个led11发出的光通过第n个法兰21传输至参考光纤探头32，再由参考光纤探头32通过第n个法兰21传输至耦合模块5，经耦合模块5耦合后传输至ccd6，然后由fpga数据采集模块7进行数据采集后，传输至dsp数据处理模块8中进行算法解调运算，将解调出的特征波长传输至mcu9，得到参考通道半导体吸收光谱曲线其数组长度为m+1，如图3所示，其中λ表示波长，m为大于2的整数；
[0070]
步骤3、通过参考通道半导体吸收光谱曲线计算参考通道有效波形i0(λ)；
[0071]
步骤3.1、对半导体吸收光谱曲线进行一次差分得到v0(λ)，如图4所示，其数
组长度为m；
[0072][0073]
式中，λk为有效波形i0(λ)第k个波长数值，λ
k+1
为有效波形i0(λ)第k+1个波长数值；
[0074]
步骤3.2、求取v0(λ)的最大值v
max
及最大值v
max
的索引值v
index
；
[0075]vmax
＝max{v0(λ)}；
[0076]
步骤3.3、对v0(λ)进行一次差分得到w0(λ)，如图5所示，其数组长度为m-1；
[0077]
w0(λ)＝v0(λ
k+1
)-v0(λk),k＝0,1,2,...,m-2；
[0078]
步骤3.4、求取w0(λ)的最大值w
max
及最大值w
max
的索引值w
index
；
[0079]wmax
＝max{w0(λ)}；
[0080]
步骤3.5、以w
index
为起点，v
index
为终点截取半导体吸收光谱曲线然后进行归一化处理，得到参考通道有效波形i0(λ)，其数组长度为l0，如图6所示；
[0081]
步骤4、令x＝1；
[0082]
步骤5、mcu9发送指令至同步触发模块4，使同步触发模块4触发光源模块1中的第x个led11开始工作；
[0083]
步骤6、测量采集第x个测温通道半导体吸收光谱曲线其数组长度为m+1，其中λ表示波长，m为大于2的整数；
[0084]
步骤7、通过第x个测温通道半导体吸收光谱曲线计算第x个测温通道有效波形i
x
(α)，其数组长度为l
x
，如图7所示；
[0085]
步骤8、对i0(λ)与i
x
(α)进行插值计算；
[0086]
通过线性插值计算，l0、l
x
转换为l，i0(λ)与i
x
(α)的数组长度均为l；
[0087]
步骤9、有效波形距离计算；
[0088]
参照图8，第x个测温通道有效波形与参考通道有效波形的距离计算d的计算式如下：
[0089][0090]
式中，l为有效波形i0(λ)与i
x
(α)的数组长度，λk为有效波形i0(λ)第k个波长数值，αk为有效波形i
x
(α)第k个波长数值，i0(λk)为有效波形i0(λ)第k个光谱幅值，i
x
(αk)为有效波形i
x
(α)第k个光谱幅值；
[0091]
步骤10、读取数字温度模块数据10；
[0092]
mcu9通过指令获取数字温度模块10测量的温度τ，即参考通道所处的环境温度；
[0093]
步骤11、测温通道温度计算；
[0094]
随着温度的变化，测温通道的半导体吸收光谱有效波形沿波长方向平移，根据经验值波长每平移增加1nm，温度升高3℃，所以可以根据参考通道的半导体吸收光谱有效波形与测量通道的半导体吸收光谱有效波形之间的距离d、参考通道所处的环境温度τ，即可计算出第x个测量通道的温度值t
x
；
[0095]
[0096]
式中，α0为有效波形i
x
(α)第0个波长数值；
[0097]
步骤12、mcu9输出第x个测量通道的温度值t
x
至led数码管显示模块110；
[0098]
步骤13、判断x是否等于n-1，若是，即完成多通道测温，结束流程，否则，令x加1，并返回步骤5。
[0099]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。