本发明专利技术属于光纤测温技术领域，具体涉及一种半导体吸收式光谱测温的信号处理方法及系统。为了克服利用现有信号处理方法获得的温度数据误差较大的问题，主要包括设置吸收时间、测量吸收光谱、选取特征数据点、选取吸收边波形、判断波形幅值、归一化处理、求解吸收边波长及查表输出温度值的步骤，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。
A signal processing method and system for semiconductor absorption spectrum thermometry
【技术实现步骤摘要】
一种用于半导体吸收式光谱测温的信号处理方法及系统
本专利技术属于光纤测温
，具体涉及一种半导体吸收式光谱测温的信号处理方法及系统。
技术介绍
半导体吸收式光谱测温的原理主要是光通过半导体材料时，有一部分光会被强烈的吸收，使光产生明显的衰减现象，随着温度的升高，半导体材料吸收光谱的吸收边波长随之向波长的方向漂移。对于半导体材料来说，一个温度值对应一个不同的吸收边波长，建立半导体材料吸收边波长值与温度值的对应关系，并建立查找表，即可根据某种特定的算法关系由吸收边波长得到对应的温度值。目前常用选取吸收边光谱的方法为：截取吸收边光谱后删除该段光谱头部和尾部各10％～20％的光谱数据，然后进一步获得半导体材料吸收光谱的吸收边波长。但是因半导体吸收式光谱测温系统本身属于强度变化类型的温度传感系统，所以光源电流大小会造成电源强度变化、光纤的弯折弯曲等因素都会导致测温系统的稳定性和准确性，该方法没有考虑到电源强度的变化、光纤弯折变化对吸收边光谱一致性的影响，所以使得通过常用方法获得的吸收边波长不准确，最终导致获得的温度测量数据误差较大。
技术实现思路
为了克服利用现有信号处理方法获得的温度数据误差较大的问题，本专利技术提供一种半导体吸收式光谱测温的信号处理方法，基于波长漂移光谱解调，可以有效消除测量误差，解调精度高。本专利技术的技术解决方案是提供一种用于半导体吸收式光谱测温的信号处理方法，包括以下步骤：步骤一：采集光源背景光谱强度值IB1及光源光谱强度值IS，根据IB1及IS计算光源光谱净值I，即获得待测对象的吸收光谱曲线；步骤二：设置积分时间；步骤三：在吸收光谱曲线上选取特征数据点；记吸收光谱特征起始点坐标为(λS,IS)，终点坐标为(λE,IE)；步骤四：选取吸收边波形；在吸收光谱曲线上截取位于起始点与终点之间的波形作为吸收边波形；步骤五：判断吸收边波形的有效幅值是否在设定范围内；步骤5.1：根据步骤四中获得吸收边波形，计算吸收边波形的有效幅值I*：I*＝IE-IS步骤5.2：将I*与有效幅值设定值Ix做差，差值为Δ：Δ＝|I*-Ix|若Δ＜r，r为设定范围大小，进入步骤六；若Δ≥r，进入步骤七；步骤六：对吸收边波形进行归一化处理；步骤七：进行PID控制，获得第k次采样时刻应输出的信号值uk，返回步骤二，根据uk重新调整积分时间；步骤八：求解吸收边波长；步骤8.1：将归一化处理后的吸收边波形根据横坐标等分为n等分，每一等分波形对应的起始坐标依次为(λS,IS)、(λ1,I1)…(λn/2,In/2)…(λn-1,In-1)，其中，n为偶数，步骤8.2：依次以(λS,IS)、(λ1,I1)…(λn/2,In/2)为起点，在归一化后的吸收边波形上截取长度为n/2等分波形的波形，总共获取n/2+1段波形：S1,S2,S3,…Sn/2-1,Sn/2,Sn/2+1步骤8.3：将截取的每一段波形进行线性拟合，选取拟合度最大的一段波形；步骤8.4：拟合度最大波形的起点为(λr,Ir)，终点为(λe,Ie)，根据纵坐标取其中点(λM,IM)：IM＝(Ir+Ie)/2λM＝(λr+λe)/2λM即为吸收边波长；步骤九：查找波长温度对照表；步骤十：输出温度值。进一步地，步骤八中通过下述公式计算uk：其中，ek＝r(k)-y(k)，r(k)与y(k)分别与第k次采样时刻对应的有效幅值设定值及第k次采样时刻吸收边波形的有效幅值；Kp为比例参数，T为采样周期，Ti为积分参数，Td为微分参数。进一步地，步骤四中：终点坐标，其中IE为吸收光谱光强最大值，λE为其对应的波长；起始点坐标通过如下方式进行选取：令：IΔ＝I(k+1)-I(k)当：时即可求得起点横坐标：λS＝λ(k+1)然后通过λS可求得IS；其中，k为采样的序列号。进一步地，步骤一中：根据下式计算得到光源光谱净值I；I＝IS-IB1＝S(λn,T1)-N1(λn,T1)；其中λn为波长，T1为温度，S代表波长为λn、温度为T1的光源光谱曲线；N1代表波长为λn、温度为T1的光源背景光谱曲线。进一步地，步骤一中将光源与光谱仪接通，但不点亮光源，测得光源背景光谱强度值IB1：IB1＝N1(λn,T1)其中波长为λn，温度为T1；点亮光源测得光源光谱强度值IS：IS＝S(λn,T1)。本专利技术还公开一种用于半导体吸收式光谱测温的信号处理系统，包括处理器及存储器，其特殊之处在于：所述存储器中存储计算机程序，计算机程序在处理器中运行时，执行上述的方法。本专利技术还公开一种计算机可读存储介质，其特殊之处在于：储存有计算机程序，计算机程序被执行时实现上述的方法。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术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；2、本专利技术从多段光谱数据段中筛选出线性度最优的光谱数据段，能够最为接近吸收光谱的变化特征，进一步提高解调精度。附图说明图1为本专利技术方法流程示意图；图2为本专利技术待测对象的吸收光谱示意图；图3为本专利技术选取特征点示意图；图4为本专利技术对吸收光谱波形数据进行操作结果示意图；图5为本专利技术选取吸收边波形示意图；图6为本专利技术数据归一化示意图；图7为本专利技术PID控制算法流程示意图；图8为本专利技术归一化后有效波形等分示意图；图9为本专利技术吸收边波长求解示意图。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步地描述。如图1所示，本专利技术用于半导体吸收式光谱测温的信号处理方法，包含以下步骤：步骤一：通过光谱仪测量光源背景光谱及光源光谱值。将光源与光谱仪接通，但不点亮光源，即可测得光源及光谱仪的背景光谱。IB1＝N1(λn,T1)(1)其中背景光谱强度值为IB1，波长为λn，温度为T1。然后点亮光源测得光源光谱值。IS＝S(λn,T1)(2)其中光源强度值为IS，波长为λn，温度为T1。将式(1)与式(2)做差，即可得到光源光谱净值I，获得待测对象的吸收光谱曲线(如图2所示)。I＝IS-IB1＝S(λn,T1)-N1(λn,T1)(3)步骤二：设置积分时间；步骤三：选取特征数据点(如图3所示)，记吸收光谱特征起始点坐标为(λS,IS)，终点坐标为(λE,IE)；终点坐标的选取：对吸收光谱光强求最大值即可。起点坐标的选取：对吸收光谱波形数据进行如下操作，结果如图4所示。IΔ＝I(k+本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于半导体吸收式光谱测温的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：采集光源背景光谱强度值I
【技术特征摘要】
1.一种用于半导体吸收式光谱测温的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：采集光源背景光谱强度值IB1及光源光谱强度值IS，根据IB1及IS计算光源光谱净值I，即获得待测对象的吸收光谱曲线；
步骤二：设置积分时间；
步骤三：在吸收光谱曲线上选取特征数据点；
记吸收光谱特征起始点坐标为(λS,IS)，终点坐标为(λE,IE)；
步骤四：选取吸收边波形；
在吸收光谱曲线上截取位于起始点与终点之间的波形作为吸收边波形；
步骤五：判断吸收边波形的有效幅值是否在设定范围内；
步骤5.1：根据步骤四中获得吸收边波形，计算吸收边波形的有效幅值I*：
I*＝IE-IS
步骤5.2：将I*与有效幅值设定值Ix做差，差值为Δ：
Δ＝|I*-Ix|
若Δ＜r，r为设定范围大小，进入步骤六；若Δ≥r，进入步骤七；
步骤六：对吸收边波形进行归一化处理；
步骤七：进行PID控制，获得第k次采样时刻应输出的信号值uk，返回步骤二，根据uk重新调整积分时间；
步骤八：求解吸收边波长；
步骤8.1：将归一化处理后的吸收边波形根据横坐标等分为n等分，每一等分波形对应的起始坐标依次为(λS,IS)、(λ1,I1)…(λn/2,In/2)…(λn-1,In-1)，其中，n为偶数，
步骤8.2：依次以(λS,IS)、(λ1,I1)…(λn/2,In/2)为起点，在归一化后的吸收边波形上截取长度为n/2等分波形的波形，总共获取n/2+1段波形：
S1,S2,S3,…Sn/2-1,Sn/2,Sn/2+1
步骤8.3：将截取的每一段波形进行线性拟合，选取拟合度最大的一段波形；
步骤8.4：拟合度最大波形的起点为(λr,Ir)，终点为(λe,Ie)，根据纵坐标取其中点(λM,IM)：
IM＝(Ir+Ie)/2
λM＝(λr+λe)/2
λM即为吸收边波长；
步骤九：查找波长温度对照表；
步骤十：输出温度值。...
【专利技术属性】
技术研发人员：张文松，周航，
申请(专利权)人：西安和其光电科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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