比色式光纤温度测量仪的研究

　　在工业生产、控制及其它领域中,温度是最重要的参量之一,因此,它的检测也是至关重要的。中高温的测量在钢铁制造、玻璃二次加工、热处理等领域是必不可少的,针对这些领域所面临的特殊环境,我们研制开发了基于热辐射原理的光纤亮度测温仪[1~2]。但由于非黑体在不同波长下的发射率不同,并且各个波长的发射率又很难精确测量,所以亮度式测温最难解决的是高精度测量的问题,在亮度式测温仪的基础上我们研制了比色式光纤测温仪。它根据比色测温原理,采用互为参考的双通道进行信号采集、传输,针对数据量的增加和实时性的要求,在系统的信号处理部分引入DSP与单片机组成主从模式,以完成对数据的高效处理。比色测温仪克服了单色测温中发射率系数不确定、传输路径中辐射功率部分损失以及电子线路中放大倍数变化的影响,更适用于小的、移动的目标或被灰尘、烟雾以及大气中其它微粒遮挡的目标温度的测量。

　　1　比色测温原理

　　比色式辐射测温是通过测量物体两个波段上的辐射亮度,并根据它们的比值来确定被测物体温度的。绝对黑体辐射的光谱能量可用普朗克公式表示^[3]。

　　式中:Mλ,T为绝对黑体发射的光谱辐射通量密度;C1、C2分别为普朗克第一、第二辐射常数;λ为黑体辐射波长,T为绝对黑体热力学温度。

　　一般物体均为非黑体,所以色温是指绝对黑体在这个温度下,其窄波λ1和λ2内的辐射亮度之比与被测物体在这两波段内的辐射亮度之比相等。即

　　式中:分别为被测物体在范围内的平均发射率; 为单色光谱辐射亮度。一般物体发射率随波长λ变化缓慢,当两个波长选得相当近时则:

　　此时色温TS就准确地反映了物体的真实温度。单色光谱辐射亮度Mλ1,ΤS和Mλ2,ΤS可通过光电二极管采集的辐射信号经光电转换后的输出电压V1,

　　V2得到,有关系式

所以当λ1和λ2接近时,即ελ1≈ελ2时求出两路光强比值,就可以计算出被测物体的温度TS。

　　2　测温仪系统结构及特性

　　2·1　系统组成

　　比色式测温仪系统主要由光纤探头、前置器、信号处理等部分组成,如图1所示。

　　2·2　各部分性能

　　光纤探头采用端部熔融烧制的球状透镜,精确地解决了轴线对准的问题,扩大了光纤的接收角,提高了透镜与光纤的耦合效率和系统对温度信号的灵敏度要求。

　　感温用光纤采用10m长多组分多模玻璃光纤,在其传输通道上使用3dB的耦合器,将信号平分为两路,分别用半波带宽均为20nm、峰值波长分别为0·7μm和0·8μm (温度范围为900℃~1 600℃)以及1·3μm和1·5μm (温度范围为300℃~900℃)的窄带滤光片滤光后,输出的信号被光电转换部分接收。