光纤双波长数字式测温仪系统研究

　　1　引言

　　基于黑体辐射原理的红外辐射温度计,是众所周知的一种非接触式表面温度传感器。通常用于测量运动的、不可接近和接触等传统测温手段不能胜任的场合。只测量0.7～1.4μm电磁频谱区域发出的红外辐射。为获得精确的测量值,测温时不仅要确定被测表面的发射率,排除环境干扰,确保视场通道畅通干净,还要测距和精确对准。

　　光纤双波长数字式测温仪,采用双波长窄带比较技术、光纤传输技术和以微控制器、可编程外围芯片为核心的数字信号处理技术。从根本上克服了以上红外辐射测温仪的缺点。首先采用双波长窄带比较技术,即使在非常恶劣环境下,如空气中有烟雾、灰尘、蒸汽和颗粒,以及没有瞄准或目标不充满视场,特别是目标表面发射率变化,接收能量衰减的情况下,仍可获得高精度。采用光纤传输技术,发挥了光纤的传输、限模、稳模、分路和滤波等特性,将拾取的光信号从测量头传输到远离被测物体及复杂环境的地方,使传感头无任何电子元器件,可抗强电场、强磁场干扰。使用透镜耦合,可获得足够的空间分辨率和时间分辨率,可进入微区或窄小空间等传统测温仪不能胜任的场合测量温度。另外以微控制器、可编程外围芯片为核心,构成数字化、小型化光纤传感系统,具有通信接口,可与过程控制网络连接。支持流行的现场总线协议,可实现远距离遥测与实时监控。

　　2　测量原理

　　由黑体辐射理论可知,所有物体,只要当它的温度高于绝对温度(T>0)时,由于它的分子热扰动都要向外发射热辐射。辐射能力的大小与物体的温度、材料辐射系数有关。普朗克定律给出了黑体辐射通量密度E0(λ,Τ),波长λ,温度T的关系为

　　式中ε(λ,T)为辐射系数。由此可见黑体辐射通量不仅与温度有关还与辐射系数有关。测量的误差来源于被测对象的辐射系数,它取决于被测对象的材料和表面条件,ε的变化直接影响发射能量,从而影响测量精度。其他的误差来源有光学系统相对于被测距离的失配和任何处在被测物体与探测器之间的吸收介质。

　　由斯蒂芬—玻尔兹曼定律黑体辐射总能量为

　　式中σ为斯蒂芬—玻尔兹曼常数σ=5.6679×10-8W/(m2K4),由此可见,辐射能量与温度的4次方成正比。由此可以从光电探测器探测的辐射能量获得辐射体的温度。

　　辐射能量分布中的最大值所在的波长λm可由如下维恩定律求出

　　λmT=2.8978×10-3mK (2—4)

　　下面给出一些温度和所对应的峰值波长

　　100℃时:λ=7.76μm;