光纤测温计的波分复用技术

    1　引　言

    光纤是应用于光通信的一种新型材料,与其他材料相比,具有许多独特的性能,如宽频带传输特性、电绝缘性以及可弯曲性能好等。

    光纤传感技术则是一种通过调制、检测光纤中转输的光波特征参量,实现对各种物理量测量的技术。光纤的上述特性使光纤传感技术具有高精度、现场无电信号、不受电磁干扰、性能可靠、技术含量高和成本低等优点。光通信技术的发展为光纤传感打下了雄厚的技术基础,它的基础元器件大都已商品化,其稳定性和可靠性均能满足光纤传感的要求。

    基于光纤传感技术和高温辐射信号双波长比值法解调技术制成的光纤高温计已作为一种重要的测温手段,已经应用在冶金、化工和能源等工业领域,推动了高温测温技术的发展^[1]。

    目前使用的光敏管热辐射信号分离技术还存在不少弊端,如热辐射双波长比值与温度的线性度不好,可做比值的温度开始点太高,因而限制了在一些工程场合的应用。

    2　光纤高温计测温原理

    光纤高温传感器依据的是黑体辐射原理,即在给定的温度下,黑体会辐射出确定的光谱。普朗克定律指明了黑体的辐射强度E(λ,T)与辐射波长λ和辐射绝对温度T之间的关系:

式中,C₁、C₂分别是第一和第二辐射常数;辐射强度E(λ,T)中的T为绝对温度,λ为辐射波长。

   当波长λ一定时,可得式(2),黑体的辐射强

度E(λ,T)仅是绝对温度T的函数:

    E(λ,T) =r(T)            (2)

若仅仅利用辐射光谱中一个单色波长的辐射强度来进行测量,将不可避免地受到辐射源的变化及测量环境中其他吸收体等因素的影响。在使用过程中,现场恶劣环境也会使接收到的光辐射强度严重衰减,所以不能用单色波长的辐射强度来进行测量。

    如果对相邻的两个波长λ1、λ2的各自带宽δλ区间内的辐射强度做除法,则得到比值R(T):

    从(3)式可以看出,所得辐射强度之比只随温度的变化而变化,从而消除了外界的干扰,成为物体温度变化的单值函数。光纤双波长比值法辐射高温计就是根据这一理论公式设计的^{[2, 3]}。

    通过温度标定实验发现,双波长辐射强度之比同温度成较好的线性关系。用双波长比值法测温的另一个优点就是,对高温辐射的强度衰减不敏感,例如光信号强度衰减到只剩下了20%,其测量误差也仅有±5℃,这是其他强度型光学测温技术所难以达到的。