热释电双波长光纤测温仪的精度分析

　　1　引　言

　　已有多人研究过多种辐射测温系统[1,2]。但无论是被动式辐射测温系统[3,4],还是主动式辐射测温系统[5],其测温精度都受仪器的工作波长、工作波长的带宽、温度分辨力、测温灵敏度及相对测温灵敏度、被测温度、环境的辐射与反射、待测物体的发射率与表面状态、探测器系统本身的辐射以及环境温度等多种因素的影响[6,7,8]。如何有效地抑制各种干扰,最大限度的提高其测温精度与测温灵敏度,一直是各种实时测温系统研究的重要内容。

　　就采用热电器件实现的实用化双波长实时测温系统[9]而言,作者等人已讨论了仪器的工作波长与其温度分辨力及测温灵敏度等之间的关系[9],本文则分析反射辐射、探测器周围环境的热辐射(环境温度)、工作波长的带宽以及在光路中选择性吸收气体的光谱吸收等因素对仪器测温精度的影响,并研究为克服这种影响所采取的措施。

　　2　仪器结构与测温原理

　　2.1　仪器结构

　　仪器的原理结构简图见图1,主要由光学接收系统(包括透镜、斩波器、多模光纤、扰摸器、Y型耦合器、窄带干涉滤光片及钽酸锂热释电探测器等)、信号放大与处理系统(包括前置放大与选频放大电路、除法电路、模_数转换电路及单片机系统等)和显示系统三部分组成。

　　宝石透镜收集到的热辐射,经调制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,被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_数转换后送入单片机中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为调制系数;Dλ1、Dλ2分别为窄带干涉滤光片对波长为λ1、λ2的光的透过率;ελ1、ελ2分别为温度为T的待测目标在波长λ1、λ2处的光谱发射率;τλ1、τλ2分别为光学系统对波长为λ1、λ2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为测量点处的波长带宽。这里已假定,在极窄的波长带宽内,ελ1、ελ2、τλ1、τλ2、Dλ1及Dλ2均与波长无关。