基于单片机的比色光纤高温测量系统设计

　　0 引 言

　　光纤测温的理论依据是物体温度与发光波长具有对应关系。比色光纤测温是采用两套光纤探头和滤光片得到两路波长数据，其理论依据是温度值与这两路 波长的比值具有对应关系，而且此关系式几乎不受环境影响，因而精度更高[1]。光纤测温技术解决了许多热电偶等常规测温无法解决的问题, 尤其在高温领域显示了强大的优势[ 2 ]。比如，在燃气轮机温度检测中，针对其内部工作环境恶劣等特点, 传统的方法是用热电偶测量排气温度, 然后用经验公式间接推算出燃气温度[3]。针对高速喷射燃气这一特殊条件, 采用石英光纤传输媒介和比色法测温还可以克服一般辐射测温的不足[4]。目前比色光纤测温的主要问题是设备价格昂贵，比如采用美国IO 公司研制的光纤探头的IO-6 1 0 系列比色高温仪价格万元以上，在小型铸造企业不易推广。本文基于上述背景，针对小型铸造企业铁液测温度的实际需求，设计一套基于5 1 单片机的比色光纤高温仪。测温时由光纤探头检测铁液发出的光，分光后由两个硅光电池将光信号转换成两路电压信号，分别经过信号调理送到现场的单片机，然后 无线发送到主控端的单片机进行显示。因篇幅所限，本文主要介绍跟单片机有关部分的设计。

　　1 比色光纤测温原理简介

　　1.1 测温近似公式的推导

　　由普朗克公式[5]知，

式中： 是绝对黑体发射出的光谱辐射通量密度，C1=3.7415×10-16Wm2、C2=1043879×10-2是普朗克第一、二辐射常量，λ是黑体的辐射 波长，T 是黑体的热力学温度。被测物体一般为非黑体，设 和 为λ1和λ2波长范围内的平均发射率，则 和 为实际物体单色光谱的辐射亮度。若利用不同波长的滤光片, 取出同一物体发射的两个不同波段的辐射, 当所选择的两波段ε值相近时可近似认为 = 。比色光纤测温，就是利用不同波长信号的两路电压的比值与温度的单值关系来确定物体温度的，不同波长信号的两路电压信号V1和V2可通过硅光电池采集辐射 信号经光电转换后得到，可分别表示为：

　　其中 和 是光电转换系统的传输的系数，由光电转换器件、放大电路以及滤波片等因素决定共同。由式(1)和式(2)得

　　由式(4)可知两路电压信号的比值 随温度T的变化而变化，而且是单调函数，可通过计算电压比换算出物体的实际温度，这就是本文用单片机计算温度的原理。

　　1.2 光路接收设计

　　根据比色测温的要求，光纤输出信号需通过分光器得到波长为λ1和λ2的光信号, 再由光电探测器接收。本文光电探测器选用硅光电池，而分光器采用双色调制盘实现。如图1 所示，双色调制盘在电动机带动下交替接收两个波长的辐射，产生两种不同的光信号。由于两个波长测量是分时的，所以信号处理的响应时间要长一些。这对于温度 或运动变化较快的高温物体而言测量误差较大，但对于铸造炉测温而言几乎不存在此问题。