黑体式光电高温计调理电路设计

　　0　引言

　　在当前科研生产过程中,主要使用铂铑系列的贵金属热电偶测量高温,由于贵金属材料资源稀缺,价格昂贵,并且提炼和回收时易造成环境污染,因此限制了其应用。而黑体式光电高温计采用基于黑体辐射的光电测量方法,兼有接触法和非接触法的特点,具有测量准确、抗干扰能力强、安装使用方便等优点。由于不使用贵重金属,因此使用成本很低。由于这种方法是通过光电信号转换的方法测量温度的,所以衔接光学系统和信号处理系统的调理电路部分就显得格外重要了。

　　1　黑体式光电高温计的工作原理

　　黑体式光电高温计由黑体腔、光电探测器以及信号处理电路组成,如图1所示。将黑体腔插入被测介质中,使其直接接触被测介质温度,并发出与被测温度成一定关系的辐射信号,通过光纤把信号送给光电探测器,经光电转换后将电信号送至信号处理器即可进行待测温度的计算、补偿、显示、存储和远传等,如图1所示。

　　黑体式光电高温计是根据对黑体腔辐射光信号的探测得到被测温度的。根据Planck黑体辐射定律,黑体腔置于温度为T的区域,其单色辐射通量为

式中:a为黑体腔出口进入光纤的面积;λ为辐射光波长;T是绝对温度;c1=3.74183×10-16(W·m2),为第一辐射常数;c2=1.43879×102(m·K),为第二辐射常数。

　　考虑一般的情况,设光电探测器的光谱响应函数为D(λ);黑体腔的单色发射率为εA(λ);光电探测器工作波长的上下限为λ1,λ2;α为光电探测器的光电转换率;辐射光信号经光纤传入光电探测器后输出的电流为

　　理论上,电流由式(2)计算,但是因为系统的复杂性和各种因素的影响,例如,光信号传输过程中光纤传输、耦合的影响,聚焦透镜的损耗,光电探测器的灵敏度等,难以精确计算,因此要靠实验标定,即拟合光电流和温度的关系曲线,从而由电流值算出温度值。

　　2　基于对数放大的调理电路

　　光电探测器选用硅光电池,由于其输出信号比较小,并且还伴随着噪声,所以需要对硅光电池的输出信号进行滤波、放大至合适的范围,再通过A/D转换将模拟量转换为数字量送入处理器进行处理,这就是信号调理电路的作用。

　　虽然黑体辐射信号相对较强,易检测,但为了测量较宽范围的温度,其输出电流的范围也很宽,并且电流和温度呈近似指数关系,在低温段温度的分辨力很低,为后续处理带来了困难。针对这种特点,需要选用合适的对数放大电路,对宽范围的电流进行放大并线性化处理,使其输出的电压信号在标准信号0～5V范围内,便于进行A/D转换。