辐射光纤高温计及其系统的研究

　　1　前言

　　随着科学的进步和生产的发展,对高温的监测提出了更高的要求。人们在不断完善热电偶、辐射式温度计及光学高温计的同时,也在探索、研制新的温度测量方法及仪器。传统的测温仪已成功地应用于很多领域,然而在特殊场合,例如,在金属加工、锻压、铸造以及强腐蚀、强电磁干扰、尤其是高频加热、高频焊接等过程中的温度非接触测量,传统的高温测量仪表就难以胜任或难以较好地胜任。为此我们研制了一种新型的高温测量仪表——辐射光纤高温计。

　　2　原理

　　辐射测温的理论是基于黑体辐射的普朗克定理。所有的物体,由于它的分子热扰动而发射红外辐射。这种扰动随着物体温度的升高和降低而加剧和减弱。当它的温度高于绝对温度(T>0)时,就向外发出辐射,辐射能力的大小与物体的温度T、材料辐射系数ε有关。普朗克定律给出了黑体辐射通量密度W0(λ,T),波长λ,温度T的关系:

　　对于非黑体:

　　根据式(2—1)、(2—2),对于全辐射温度的辐射通量W0(T)由斯蒂芬—玻尔兹曼定律给出:

　　一般辐射通量:

　　式(2—1)、(2—2)、(2—3)、(2—4)中C1、C2为第一、第二常数;ελ为辐射系数,εT为全辐射率。

　　由式(2—3)、(2—4)可知,只要测量出全波长下辐射通量,则被测温度就可以确定。测量温度TL与实际温度T的关系为:

　　式(2—5)的意义在于给出了温度与全辐射率的数学关系。式中εT=0～1。

　　在实际测温中,高温计接受的红外辐射波长并非是0到∞的,这样εT就不是一个确定性常数,故式(2—5)只能是一个理论公式。然而在测温范围内选定一个固定波长,辐射通量密度就是温度的单值函数了。通过光学滤波的方法,测出某一波长λ下的辐射通量密度,即可确定该物体的温度。

　　由式(2—1)得

　　由式(2—2)得

　　由(2—6)、(2—7)可得

　　式(2—8)给出了一个实用的测温数学模型。

　　3　系统组成

　　仪表主要由光纤探头、前置器及二次仪表组成,其结构如图3—1所示。

　　3.1　光纤探头

　　如图3—2所示,它由合金铝套筒、耦合透镜、光纤和光纤金属套筒等组成。以感温光纤为主的测量探头是保证仪表性能指标的重要传感部件。为此,有必要对光纤的指标和特性做以阐述和探讨。图3—3为光纤数值孔径等参数的示意图。

　　图3—3中,N1为光纤芯材的折射率,N2为光纤包层的折射率。光纤的数值孔径NA为下式所表达:

　　本仪表中,光纤采用多组份玻璃光纤,结构示意图如图3—4所示。所用光纤的基本参数值为sinα=0.56,α=34°,β=68°,NA=0.56。光纤的波长响应特性见图3—5。