一种采用热电器件的实用化双波长高精度光纤测温仪

　　1　引言

　　在钢铁生产中,为了保证产品的形成和质量,各道工序都设有测温点,且要求严格。沿用传统的接触式测温仪进行测量,虽然精度高,但必须使热电偶头接触被测物体,因此在某些特殊的场合下(如轧钢中对运动着的热轧钢板及对高温炉中的火焰等进行测温时)无法使用[1];用传统的单波长辐射测温计进行测量时,由于某些情况下待测物体的发射率随温度变化太大(如热轧钢板的发射率在0·35~0·95之间变化)[2],因而存在着较大的误差;采用激光或红外源作测量光源[3,4,5],虽可同时准确测出待测物体的发射率及温度,但由于这种测温仪需要有较为理想的反射面与之配合才能使其正常工作,因而在某些场合仍难使用。比色测温仪虽可应用于上述难以应用的场合[6,7,8],但由于现有的比色测温仪多用PIN光电二极管作光电转换器件,因此难以测量较低的高温(600℃以下的温度)[9]。为此,作者提出了使用钽酸锂热释电探测器作光电转换器件的实时测温系统。

　　2　仪器结构与测温原理

　　2·1　仪器的结构

　　采用钽酸锂热释电探测器的光纤比色测温仪的原理结构简图如图1所示。主要由光学接收系统(包括透镜、斩波器、多模光纤、扰模器、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(主要包括前置放大电路、选频放大电路、除法电路、采样保持电路、模-数转换电路及8031单片机系统等)和显示系统(主要包括显示器及多个接口电路等)三部分组成。

　　宝石透镜收集到的热辐射,经调制盘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3 dB定向耦合器分为两路,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8031单片机系统进行数据处理。

　　2·2　测温原理

　　透过滤光片到达探测器的辐射能分别为

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为光学系统对波长为λ的光的总透过率;Lλ为温度为T的黑体在波长为λ处的单色辐出度;λ1、λ2分别为两个测量点处的波长,Δλ=λ2-λ1为其带宽。

　　本仪器采用的窄带干涉滤光片的带宽Δλ仅有20 nm。在这样窄的带宽内,可以认为ελ、τλ及Dλ均与λ无关。据此,可将式(1)、式(2)简化为