双波长光纤测温仪的工作波长及线宽设计

　　1　引　言

　　在航空航天、冶金及汽车制造业等领域,常常需要对发动机、内燃机和热加工高温炉等的火焰脉动温度以及在线工件进行快速、实时监控,以最大限度地减少事故隐患,提高产品的安全性能及产品的质量。沿用传统的接触式测温仪进行测量,虽然精度高,但必须使偶头接触被测物体,因此在某些特殊的场合下无法使用[1];用传统的单波长辐射测温计进行测量,由于某些情况下待测物体温度的发射率随温度的变化太大(如热轧钢板的发射率在0·35~0·95之间变化)[2],因而存在着较大的误差;采用激光或红外源作测量光源[3—5],虽可同时准确测出待测物体的发射率及温度,但由于这种测温仪需要有较为理想的反射面与之配合才能使其正常工作,因而在某些场合(如对发动机燃烧室中的火焰等)难以使用。常见的比色测温仪虽可应用于上述难以应用的场合[6—8],但由于现有的比色测温仪多用PIN光电二极管作光电转换器件,因此难以测量较低的高温(600℃以下的温度)[9]。为此,作者等提出了这一使用钽酸锂热释电探测器作光电转换器件的实时测温系统。

　　2　仪器结构与测温原理

　　2.1　仪器结构

　　利用钽酸锂热释电探测器实现的光纤比色测温仪的原理结构简图如图1所示。

　　宝石透镜收集到的热辐射,经调制盘调制(图2)后被聚焦到光纤的端面上,两者的数值孔径相匹配。辐射光沿芯径为200μm的多模光纤传输,由相同光纤制成的定向3dB耦合器分为两路,再由带宽相同、中心波长不同的两块窄带干涉滤光片滤光后分别经由钽酸锂热释电探测器构成的光电转换系统转变成电信号。此电信号再经前置放大、选频放大、相除、模-数转换后送入8031单片机系统进行必要的数据处理。

　　2.2　测温原理

　　透过滤光片6到达探测器8的辐射能Pλ1为

式中D为宝石透镜的通光口径;f′为其焦距;τ0为大气的衰减系数;A为探测器的灵敏元面积;η为调制盘的调制系数;Dλ为窄带干涉滤光片对波长为λ的光的透过率;ελ为温度为T的待测目标在波长λ处的发射率;τλ为光学系统对波长为λ的光的总透过率;Lλ为温度为T的黑体在波长λ处的单色辐出度;λ1、λ2分别为两个测量点处的波长,Δλ为其带宽。这里已假定,在极窄带宽内,可以认为ελ、τλ及Dλ均与λ无关。

　　(1)、(2)两式相除,并令

式中h为Planck常数;h=6.626×10-34J·s-1;h为Boltzmann常数,h=1.38×10-23J·K-1;c为光速,c=2.998×108m·s-1。实际应用时,利用(4)、(5)两式绘制出R(T)~T关系曲线,测得R后查表可求得温度T。