光纤辐射式温度测试仪的研究

　　1　引言

　　目前,国内外的辐射测温仪大多是以空间为光路的光学温度仪,虽已广泛应用于工业生产和科学研究,但它自身存在着不可克服的缺点,譬如:光学系统对环境条件要求苛刻、空间光路的灰尘、水汽对测量精度有严重影响,并且只能进行可视直线温度测量。为了克服上述弊病,我们开发研究了一种基于辐射原理的光纤温度监测仪。该仪器采用10 m长的石英光纤作为传感和传输光纤,信号处理采用了模块化和微处理器,以保证系统的测温精度和可靠性。

　　2　仪器的结构和特性分析

　　光纤辐射式温度测试仪是以物体辐射理论为基础的非接触式温度测试仪。其原理是:选定某一波长λ,则被测物体的辐出度是温度的单值函数。只要测出λ下的辐出度,就可以确定该物体的亮度温度,并有下列关系式:

　　亮度测温中比较困难的问题在于确定物体的光谱发射率ε(λ,T)。当波长确定后,ε是T的函数,光谱发射率误差Δε引起测量温度的误差为

　　2.1　结构特点

　　传感器系统构成如图1所示。对于图1所示的亮度式温度测量系统,如果温度辐射波长λ为定波长(λ0),由分析得出其辐出度为

　　考虑到空间光路损耗系数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,光电探测器所接收的辐射出射度为

　　由此可以通过检测光电流的大小来确定被测物体的温度,但需要注意的是,由于发射率ε(λ0,T)的不确定性将引起温度测量误差。因此在精确温度测量时,要首先测量出被测物体的发射率,并在仪表中进行修正。

　　2.1.1　光纤探头

　　光纤探头的功能是完成辐射光线的采集。本仪器中采用的是多模石英光纤束。为了提高对温度信号的灵敏度,探头采用透镜耦合,如图2所示为水平端面光纤的透镜耦合示意图。光纤的NA一定时,可通过增加透镜的外径的办法来提高距离系数。

　　2.1.2　前置器

　　前置器包括窄带滤光片、光电探测器及转换电路、有源低通滤波器等部分,其性能的好坏直接影响到仪表的测量精度与抗干扰能力。

　　(1)　窄带干涉滤光片

　　在光电探测器前端加入一窄带干涉滤光片,以滤除其他波长的辐射和背景干扰辐射。干涉滤光片的中心波长为所选用的测量波长。其半波带宽度的选取原则是:在保证测量灵敏度的前提下,选取尽量小的半波带宽度,以保证其测量的准确度。

　　中温通道干涉滤光片的参数:λ=1.5μm,Δλ=25 nm,最大透过率为70%。