基于虚拟仪器技术的光纤测温系统设计

　　0　引言

　　光纤传感技术用于温度测量,具有体积小、电绝缘性好、耐腐蚀、柔性弯曲、防爆、抗电磁干扰、灵敏度高等特点。文中采用虚拟仪器技术设计了单色辐射式光纤测温系统,可用于冶金、化工、电力、建材等领域,解决电磁干扰大、环境恶劣场合的温度测量与控制问题。

　　1　单色辐射测温原理

　　辐射型光纤温度传感器是基于黑体辐射的普朗克原理。所有的物质,当它的温度高于绝对温度时,均发出一定量的热辐射,辐射能力的大小与物体的温度和物体材料的发射率有关。黑体是能够完全吸收入射辐射,并具有最大发射率的物体。单色辐射温度(亮度温度)测量的工作原理是:选定某一波长,则被测物体的辐出度仅是温度的单值函数,只要测出某一波长λ下的辐出度,就可以确定该物体的亮度温度。

　　在被测温度与波长范围内,单色辐射温度用下式表示

　　通过ελ和λ把被测物体的实际温度T与它的单色辐射测量温度TL联系起来。在实际测温中,被测物体的实际温度为定值,则单色辐射温度值与所取的波长有关,只要波长一定,同一热辐射只能对应一个单色辐射温度值。

　　2　光纤温度测量数学模型的建立

　　建立温度测量的数学模型,就是要确定辐射温度与传感器输出电信号之间的关系。传感器系统构成如图1所示。

　　光纤辐射传感系统由透镜、传输光纤、窄带滤光片及光电探测器构成。被测物体的热辐射经空间光路耦合进光纤,由光纤传输后,经窄带滤光片选出要测量波长的辐射,经光电探测器转换成电信号输出,输出电信号的大小反映了被测体的温度。

　　对于单色辐射温度测量,其辐射波长为定波长λ0。考虑到空间光路损耗K0(λ0)、光纤透射率f(λ0,L)及光纤、滤光片和光电探测器之间的耦合系数K1,光电探测器输出的光电流为

　　则被测体温度值为

　　由此,可以通过检测光电流的大小来确定被测温度的高低。在波长确定的情况下,发射率ε(λ0,T)为温度的函数,由于发射率的不确定性将引起温度测量误差,因此,在精确温度测量时,首先要确定被测物体的发射率并在仪表中进行修正。

　　3　系统硬件设计

　　基于虚拟仪器技术的光纤测温系统的硬件可分为光纤温度传感系统、数据采集系统、单片机和PC计算机。系统组成如图2所示。

　　光纤温度传感器将温度信号转变为电信号。光纤与物镜等组成探头,采集被测体的辐射光,即按一定的视场和角度接收被测目标的辐射通量,会聚耦合进光纤。为保证光电探测器探测到单一波长的辐射光,在光电探测器的前端加一个窄带干涉滤光片,其中心波长的选取由测量温度的范围决定。采用光电探测器与前置放大器的组合形式可以提高抗干扰和抗环境温度变化的能力。另外,在前置放大器后加入低通滤波器,可以滤除信号中的高频噪声,对信噪比的改善起很大作用。