高精度双波长非接触光纤高温计的波长最优设计

　　光纤高温计较其他测温仪具有测量精度高、抗电磁干扰、体积小、便于遥测等优点。由于它可应用于易燃易爆、空间狭小、直接瞄准有困难的场合,因而受到了广泛的重视。而双波长光纤高温计可以有效地减小被测物体发射率变化、环境干扰、器件老化等因素带来的测量误差[1～3]。

　　双波长光纤测温系统的最佳设计是该系统实用化的重要保证[4,5]。优化设计的主要问题是选择最佳的两个工作波长及其带宽。如果测温系统未根据实际要求采取波长最佳设计,则其测温曲线或者灵敏度不高或者线性不好。以往对此问题的解决办法是:通过提高系统的信噪比及电路的放大倍率增加测温灵敏度,通过后接非线性补偿电路或软件插值法提高测温曲线的线性。这样不但增加了系统硬件的复杂性,而且会带来系统误差。在多数场合下,本文所提出的优化设计方案可为实用化系统提供所需的测量灵敏度及线性。

　　1　双波长光纤高温计的结构与测量原理

　　图1所示为我们所采用的非接触式双波长光纤温度传感器结构。蓝宝石透镜收集被测物体的热辐射,其焦点位于光纤端面上,两者的数值孔径相匹配。辐射光沿多模石英光纤(芯径为300μm)传输,由定向耦合器分为两路,经不同透过谱的滤光片形成两路探测信号。为提高信噪比和测量精度,在透镜与传输光纤之间插入斩波器,再进行交流放大和滤波。另外,在传输光纤的末端加入了扰模器(光纤绕在直径3 cm的圆环上3～5圈),可以部分消除因光纤弯曲、扭转等不定因素所带来的随机传输损耗,提高系统的稳定性。实验证明,这一新的结构对于消除测温的偶然误差十分有效。

　　双波长法就是利用不同工作波长的两路输出信号的比值与温度的单值关系确定物体温度。两路信号的比值由下式给出:

　　其中,λ1,δλ1以及λ2,δλ2分别为两个测量点处的波长和带宽。D1(λ),D2(λ)为滤光片的透过率,K1(λ),K2(λ)为光电探测器的光谱响应,M(λ,T)为单色辐射度。实际应用时,利用式(1)绘出R(T)-T的关系曲线,测得R后查表可获知温度T。

　　2　波长的最优设计

　　在要求的测温范围内,主要从测温曲线的动态范围、灵敏度、相对灵敏度、线性以及探测器光谱响应等方面考虑,采用数值计算的办法确定出两个波长λ1和λ2的最佳范围。由式(1)可知,比值R(T)与温度及参数λ1,δλ1,λ2,δλ2均有关。为便于研究,对式(1)进行简化计算,设λ2=λ1+Δλ,δλ1=δλ2=δλ,其中Δλ为两波长间隔,δλ为带宽。