光纤双波长数字式测温仪系统研究

光纤双波长数字式测温仪系统研究

     摘要：本文系统地介绍了一种双波长光纤测温仪的原理、结构及特点。其突出优点有：采用双波长窄带比较技术和以微控制器、可编程外围芯片为核心，构成数字化、小型化光纤传感系统。抗干扰能力强，具有通信接口，可与过程控制网络连接，支持流行的现场总线协议。
    
     关键词：光纤；双波长；测温；数字化；小型化；温控仪
    
     分类号：TH811.2　文献标识码：B
    
     文章编号：1000-0682(2000)01-0024-04
    
     1　引言
    
    　　基于黑体辐射原理的红外辐射温度计，是众所周知的一种非接触式表面温度传感器。通常用于测量运动的、不可接近和接触等传统测温手段不能胜任的场合。只测量0.7～1.4μm电磁频谱区域发出的红外辐射。为获得精确的测量值，测温时不仅要确定被测表面的发射率，排除环境干扰，确保视场通道畅通干净，还要测距和精确对准。
    
    　　光纤双波长数字式测温仪，采用双波长窄带比较技术、光纤传输技术和以微控制器、可编程外围芯片为核心的数字信号处理技术。从根本上克服了以上红外辐射测温仪的缺点。首先采用双波长窄带比较技术，即使在非常恶劣环境下，如空气中有烟雾、灰尘、蒸汽和颗粒，以及没有瞄准或目标不充满视场，特别是目标表面发射率变化，接收能量衰减的情况下，仍可获得高精度。采用光纤传输技术，发挥了光纤的传输、限模、稳模、分路和滤波等特性，将拾取的光信号从测量头传输到远离被测物体及复杂环境的地方，使传感头无任何电子元器件，可抗强电场、强磁场干扰。使用透镜耦合，可获得足够的空间分辨率和时间分辨率，可进入微区或窄小空间等传统测温仪不能胜任的场合测量温度。另外以微控制器、可编程外围芯片为核心，构成数字化、小型化光纤传感系统，具有通信接口，可与过程控制网络连接。支持流行的现场总线协议，可实现远距离遥测与实时监控。
    
     2　测量原理
    
    　 由黑体辐射理论可知，所有物体，只要当它的温度高于绝对温度(T＞0)时，由于它的分子热扰动都要向外发射热辐射。辐射能力的大小与物体的温度、材料辐射系数有关。普朗克定律给出了黑体辐射通量密度E0(λ，Τ)，波长λ，温度T的关系为E0(λ，T)＝C1λ－5(eC2／λT－1)－1(2—1)式中C1为第一辐射系数C1＝3.7418×10－16W.m2，C2为第二辐射系数C2＝1.4388×10－2m.K。考虑到实际物体并非绝对黑体，因此上式改为E(λ，Τ)＝ε（λ，T）C1λ－5(eC2／λT－1)－1(2—2)式中ε(λ，T)为辐射系数。由此可见黑体辐射通量不仅与温度有关还与辐射系数有关。测量的误差来源于被测对象的辐射系数，它取决于被测对象的材料和表面条件，ε的变化直接影响发射能量，从而影响测量精度。其他的误差来源有光学系统相对于被测距离的失配和任何处在被测物体与探测器之间的吸收介质。
    
    　　由斯蒂芬—玻尔兹曼定律黑体辐射总能量为(2—3)
    式中σ为斯蒂芬—玻尔兹曼常数σ＝5.6679×10－8W／(m2K4)，由此可见，辐射能量与温度的4次方成正比。由此可以从光电探测器探测的辐射能量获得辐射体的温度。
    
    　　辐射能量分布中的最大值所在的波长λm可由如下维恩定律求出λmT＝2.8978×10－3mK
    
    　　下面给出一些温度和所对应的峰值波长
    　　100℃时：λ＝7.76μm；
    　　400℃时：λ＝4.30μm；
    　　600℃时：λ＝3.32μm；
    　　1000℃时：λ＝2.10μm；
    　　1600℃时：λ＝1.54μm；
    
    　　当采用如图2—1所示的双波长窄带比较测温技术时，对某一温度，将两个不同波长的能量之比作为输出信号，两信号的比值由下式给出：(2—5)式中(λ1，δλ1)，(λ2，δλ2)分别为两种工作波段波长及带宽。η(λ)为热辐射经过耦合及传输的损耗系数。T(λ)为滤光片的光谱透过率。S(λ)为光电探测器的光谱响应。由于许多物体可近似认为是灰体(发射率不随波长变化的物体)，能够削弱物体表面发射率的影响，同时恰当选择波长λ1、λ2使被测物体在这两个特定波段内发射率近似相等。
    
    　　电路处理中比值的实现是靠取对数再相减来实现的。（2-7）式中A／B是与温度无关的标定常数，因此只需在某单一温度下定标即可。我们选择铂铑热电偶在1000℃定标。由上式可见正确选择波长λ1、λ2是至关重要的，波长λ1、λ2选择合适，辐射能量只与温度有关，基本与测量距离无关。由于采用双波长窄带比较，如果目标不充满视场，达到每个探测器的能量发生变化，但由于这种变化对每个探测器是相同的，通过比值不影响测温精度；由于大气条件，如灰尘、烟雾、颗粒的存在，使探测器接收能量受到衰减时，因为衰减在两个波段内是相同的，仍不影响测温精度。
    
     3　系统组成原理
    
    　　光纤双波长测温仪典型结构如图3—1所示，主要由探头、光纤和信号处理3部分组成。或者按信号分为光学单元和信号处理单元两大部分。实现非接触式测量将辐射体的辐射能由光学透镜耦合进入石英光纤，再经光纤传输，在远端被分路器分成两路，经过滤波到达探测器，实现光电转换，然后经过信号处理，把光密度的变化转换成对应的温度量。
    
     3.1　光学单元
    
    　　由图3—1和图2—1可见光学单元由探头、光纤、滤光片组成。探头由石英保护窗、透镜、外加合金铝套筒构成。各项参数确定原则为：在保证足够的接收能量前提下尽量使结构小型化。在一般情况下，透镜焦距决定视场，相对孔径决定仪器|仪表的灵敏度。在此由于使用光纤，光纤的数值孔径NA为（3—1）式中n1为纤芯折射率，n2为包层折射率，α为光纤发散角。NA的物理意义是表示光纤接收入射光的能力。
    
    　　透镜耦合到光纤端面的照度为(3—2)式中τ是光学透镜的透过率。L为物方亮度，在这里为黑体辐射能E与π的比值。D是透镜的口径，f是透镜焦距，为相对孔径而且有。因此可见，为充分利用光纤的数值孔径角将辐射光全部耦合进光纤，则由光纤的数值孔径角来确定透镜焦距以及相对孔径，并保证光纤表面的照度要求。
    
    　　采用光纤传输技术，设计中发挥了光纤的传输、限模、稳模、分路和滤波等特性。光纤将透镜收集的光信号传输给探测器的过程中，光纤必须处于稳态情况下，即光纤中各模式的相对功率保持不变均处于稳定状态。这就要求光纤不但要起扰模器的作用加速高次模损耗和变换，还要起滤模器作用选择或抑制某些模，而且要起包层模消除器的作用使包层模尽快转化为辐射模从光纤中消除掉，以建立稳态分布所要求的模。在稳态情况下，光纤的出、入射端面的模场分布、近场光斑、远场半辐射角一致，即光纤传输没有给测量带来附加误差。
    　　
     另一方面，透镜、光纤对光波有一定范围的窗口波长和光谱响应曲线。光学玻璃仅能透过波长小于2.7μm的光波，石英玻璃光纤对于波长大于2μm的光有强烈衰减。因此光纤测温仪最低可测温度高达500℃。当温度超过1000℃时，传感头通常需要有冷却附件。铝合金套筒上备有出、入风口。当要测量低于500℃的温度时，透镜和光纤可选择透红外性能良好的材料。
    
    　　使用两个窄带干涉滤光片实现光学滤波和温度信号的双波长测量。如前所述，正确选择波长λ1、λ2是至关重要的，必须使被测物体在这两个特定波段内发射率近似相等。
    
     3.2　信号处理单元
    
    　　信号处理单元如图3—2所示，由3部分组成。第1部分基本上是模拟电路构成的信号调理电路，由两个探测器输出的信号经除法器取比值后，再经A／D转换将信号转换成微控制器能读出的形式。第2部分是数字微控制器模块，含有微控制器、PSD可编程外围芯片、PLD、UART和LCD显示。其功能是接收输入模块的输入、处理数据、在LCD上显示相应结果以及与第3部分通信和输出控制。第3部分包括电源|稳压器、通信、控制硬件，提供电源给其余部分，并可与过程控制网络连接，由通信变换器与线驱动器／接收器组成。
    
     注：PSD：可编程系统器件　PLD：可编程逻辑器件
    LCD：液晶显示器UART：通用异步收发器
    图3—2　信号处理单元框图
    
    　　使用PSD设计的信号处理单元大大地减少了元件个数、系统功耗和电路板空间，使仪表实现小型化。对于可重编程的PSD，由于硬件与软件都能很方便地反复改变设计，I／O的改变，地址分配的改变，总线接口与代码的改变都能方便地进行。而且借助PSD芯片上的SRAM提供下装试验程序，使调试非常方便。
    
    　　黑体辐射通量不仅与温度有关还与辐射系数有关。测量的误差来源于被测对象的辐射系数，ε的变化直接影响发射能量，从而影响测量精度。因此必须对辐射系数变化造成的非线性进行校正，对于非线性校正采用查表方法实现，测量值经修正后输出现场的实际温度。程序简单而且易于修改。
    
     4　结论
    
    　　在一个高温炉的炉膛中，我们用一个经过校准的铂铑热电偶对其进行定标和校准。实践证明系统工作稳定，测温准确。
    
    　　本系统具有开机自检；温度设定，上、下限报警，峰、谷值搜索；串行通信接口等功能。可以进行数字通信，实现远距离遥测与实时监控。该系统在600℃～2000℃的测量范围内，测温精度0.2%，分辨率可达1℃，响应速度＜1ms。并可安装风冷、水冷设备等附件。
    
    　　鉴于光纤双波长测温仪具有抗环境干扰、抗阻挡和抗能量衰减影响的性能，尤其可精确测量运动物体和目标不充满视场的物体温度，因此在单波长测温仪不能保证测温精度的许多应用中，采用双波长测温仪是非常理想的。我们将该系统应用于玻璃加工领域使得玻璃流动时不影响温度测量，将其应用于光纤焊接，则瞬间焊接温度测量成为可能。应用于某钢厂，在型钢尺寸变化或跳动时，仍能保证测量精度。
    
     参考文献：
    
     ［1］叶林华，沈永行．蓝宝石光纤高温传感技术研究．浙江大学学报，VOL．31 No．5. 1997
     ［2］Optical Fiber Sensor.Edited by BRIAN CULSHAW & JOHN DAKIN.
     ［3］Optical Fiber Sensor Technology.Edited by K.T.V Grattan & B.T Meggitt
     ［4］WSI.Programmable Peripherals Design and Applications Handbook 1993.