光纤传输在非接触测温中的一种应用

　　1　引　言

　　光纤在非接触测温系统中有两种使用形式:一种是用作被测体热辐射能的传输管道;另一种是利用光纤的温度敏感性,直接用作温度的传感器。其中,第一种形式可使测温探头与仪表分离,从而增强了仪器仪表规避狭小空间和高温、电磁、腐蚀气氛等恶劣环境的能力。通过引入光纤传输辐射使现有红外测温仪具有对上述恶劣环境的适应性,在技术和经济方面都具有重要应用价值。在RTP系统中对晶片表面温度状况进行及时探测就适于采用这种非接触测温形式。本文将探讨一种将单色辐射高温测温仪与光纤传输相结合,在快速热处理(RTP)系统中对高温晶片实行非接触式测温的方法。

　　2　单色辐射测温原理和光纤传输系统的选型计算

　　2. 1　单色辐射测温原理

　　按热辐射理论,在给定温度下,黑体辐射力Eb(W /m2)和黑体光谱辐射力Ebλ(W /m3)分别由辐射四次方公式[1]和普朗克公式[1]来描述,即:

　　在式(3)、(4)中,ε和ελ分别为发射率和光谱发射率,对于一般工程材料而言,ε为固定值。单色辐射测温原理基于黑体辐射的普朗克定律,测温仪测出物体某个波长附近的辐射力,换算为该波长光谱辐射力Eλ,代入普朗克公式,就可算出物体温度。

　　2.2　光纤传输系统的选型计算

　　光纤传输测温系统的一个性能指标是尽量减小目标聚焦到光缆端面的辐射能损耗。图1给出了光纤传输系统的探测端设计结构。

　　如图1所示,光纤束前端位于凸透镜的1倍焦距和2倍焦距之间。实际上,由于光缆直径为毫米量级,凸透镜直径一般为十毫米量级,凸透镜与

被测表面的轴向距离为百毫米量级,则光纤束前端可视作在凸透镜的焦点上,光纤束后端切面则直接作为被测温面由单色辐射测温仪采集温度值,如图2所示。

　　光纤传输系统可以考虑选择外径R=0. 6mm,内径r=0. 57mm的多模光纤(单纤或多纤集束),对1.6μm中短波长高温红外光传导在10m内近于零损耗,其数值孔径约为0. 22,最大入射角θmax=12. 7°,纤芯直径与外径比值大于95%,以保证光的接收面积,提高接收光的辐射能量,光纤的光波透射率为τ。

　　根据薄透镜成像牛顿公式[2],可计算出被测量物体从凸透镜物方焦点算起的物距u,即:

　　光纤传输系统设计需要综合考虑上述条件。为补偿由于辐射能的实际损耗所产生的误差,由能量相等条件,可得以下修正式,即:

　　3　光纤传输非接触测温系统基本结构

　　3. 1　光纤末端多点测温采集结构