光纤传感测温技术及其应用

　　1　引言

　　光纤传感测温技术结合了非接触测温方法和光纤传感技术,是目前国际上竞相研究的热门课题。在微区光纤瞬态测温技术中,引信(微金属丝或金属薄膜)在冲击电流下击穿或熔断瞬间发出微弱光辐射,温度过程为数十微妙,辐射微区面积<1 mm2。对这样的微区瞬态过程,传统的测试方法如热电偶法和红外测温法由于缺乏足够的时间分辨率和空间分辨率而无能为力。因此只能采用非接触测温法来达到高响应速度,并将光纤置于微区前端达到所要求的空间分辨率。

　　光纤传感测温仪系列产品,测温范围覆盖-50℃～4500℃,型号多种多样。根据被测热源温场特性分为高温、低温、瞬态温度、连续温度、平均温度、微区点温等6大类;根据安装使用要求可分为固定安装式、便携式,扫描式、矩连式、分布式及灵巧结构形式,可广泛应用于食品加工、纺织、热处理、高频焊接、冶炼、浇铸、烧结、轧钢、水泥制造、陶瓷生产等工业领域。这种测温技术不仅可以替代传统的测温技术,而且能解决传统测温方法所不能胜任的多种场合,精度高、动态范围大、抗干扰能力强。

　　2　光纤测温原理

　　图2—1是非接触式光纤测温原理,根据Plank定律,热源发出的辐射功率为:

　　采用双波长窄带比较技术,即将两路波长不同的信号之比值作为输出信号,两信号的比值由下式给出:

　　式中(λ1,δλ1),(λ2,δλ2)分别为两种工作波段波长及带宽。T(λ)为滤光片的光谱透射率。可以令透过率在工作波段内为常数,这样滤光片的作用可由中心波长带宽来体现。S(λ)为光电探测器的光谱响应,电路中比值的实现是由取对数再相减来实现的。因此输出信号正比于lnR(T)即:

　　双波长比较法的优点在于灰体近似条件下,能够消除物体表面发射率的影响,对于选择性发射体,各波长的发射率不相同,但选择λ1,λ2很接近时,可以认为发射率相等,但要避开发射光谱中的选择峰。因此,最终可以确定两个波段。

　　3　仪表结构

　　这里介绍一种典型的光纤测温仪,实现非接触测量,固定式安装如图3—1所示。选择热源辐射的两列波,经过传感器1约束其它波通过光缆2,并在终端实现光电转换,然后在控制箱3中实现信号处理,对应光密度的变化转换成相应的温度量。进一步扩展其功能可以进行数字通信连接计算机远距离监控。件4为连接套可方便地对准工件,又可约束视场。一般用在工作环境烟雾水气较大的场合,也可根据传感器与热源的距离加接风冷或水冷套5。在一些特殊场合,要求传感头接近热源应使用近摄镜头6,光纤探头7用以通入窄小空间,将探头7与传感器1连接实现结构的灵活性,实现方便安装。传感器若安装在高处,为了低处的观察方便可连接传象束8,一般传象束长度为1.5M。该仪器在400℃～2500℃的测量范围内分辨率可达1℃,响应速度<1 ms。