一种双波长光纤测温系统波长带宽的优化设计

　　1　引　言

　　与传统的测温方法[1,2]相比,双波长光纤高温测温系统具有测温精度高、抗电磁干扰能力强、体积小等优点[3],且可以有效地减小被测目标光谱发射率的变化、环境光干扰、器件老化等因素带来的测温误差[4~6],因而受到了广泛的重视。

　　双波长光纤测温系统的优化设计是该测温系统实用化的重要保证[7,8]。优化设计的主要目标是选择最佳的工作波长、波长带宽和光学探测器,以及为光学探测器及其后续的电子学系统进行最佳配置[9~11],以改善系统测温曲线的线性度和温度灵敏度,提高探头的温度分辨率并减小系统的测温误差。

　　文献[12,13]已对该系统的总体设计进行了描述,并对其工作波长进行了优化设计。本文则依照系统的测温误差,R(T)-T曲线的线性度和温度灵敏度随波长带宽的变化关系,在考虑单个探测器的最小响应度及温度分辨率的基础上,对其波长带宽进行了优化设计。

　　2　仪器结构与测温原理

　　仪器的原理结构简图如图1所示。其调制盘的结构简图以及系统的工作过程等,参见文献[12,13]。

　　由文献[13]知,两个钽酸锂热释电探测器应分别工作在λ1=2·1μm及λ2=2·3μm处。两只探测器接收到的辐射能Pλ1,Pλ2分别为

　　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为调制盘的调制系数;Dλ为窄带干涉滤光片对波长为λ的光的透过率;ελ为温度为T的待测目标在波长λ处的发射率;τλ为光纤、光学系统对波长为λ的光的总透过率(其中也包括光纤的传输损耗);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中心波长,Δλ为其带宽。

　　测量是在不太宽的波段内进行的。在这样的带宽内,可以认为ελ,τλ及Dλ均为常数。据此,(1),(2)两式可分别简化为

　　3　波长带宽的优化设计

　　3.1　单个探测器的温度分辨率

　　高温下,当黑体的温度T改变ΔT时,波长λ处的单色辐出度Lλ的改变量ΔLλ可表述为

　　(13)式中,PNEP为噪声等效功率,VS/VN为信噪比,在推算探测器的温度分辨率时,取VS/VN=1;D*为探测器的探测率;Δf为后续的选频放大器的带宽。

　　由式(7)可以导出

　　对于实际的测量环境,可取大气的衰减系数τ0=0·85,光学系统对光的总透过率τλ1=τλ2=0·50,钽酸锂热释电探测器的探测率D*=7·0×107cm·Hz1/2·W-1,探测器的灵敏元面积A =π×0·5 mm×0·5 mm,调制盘的调制系数η1=η2=0·90,窄带干涉滤光片的透过率Dλ1= Dλ2=0.80;选频放大器的带宽Δf=10 Hz,光学系统的焦距f′=15 cm,通光口径D=10 cm,并以抛光的钢铸件(温度370~1040℃,ελ=0·52~0·56)作为测量对象。为分析上的方便,同时也不失一般性,取ελ1=ελ2=0·54代入计算。在不同的待测温度下,由式(15)和(16)作出的温度分辨率分别随波长带宽的变化曲线如图2所示。