（机械制造及其自动化专业论文）基于单片机的钢水温度测量仪的研制.pdf

，、， 习一1。 厂iijjilj ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g & a u t o m a t i o n t h e d e v e l o p m e n to fi n s t r u m e n to nm o l t e n s t e e l ，st e m p e r a t u r eb a s e do nt h em c u s y s t e m b yc h e nh u a i w a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i up i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 5 肌5m 3m 3 4 舢8m 1胛y t芦“ i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：陴怦挚 日 期：以d6 毯 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：p 耳睾五避 导师签名： - 签- 7 - 日期： 0 8 、9 6 巧 签字日期： tlj 一 一 东北大学硕士学位论文摘要 基于单片机的钢水温度测量仪的研制 摘要 温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产过程中测控的重要参数 之一。在钢铁冶炼的过程中，温度直接影响钢铁的质量。炼钢过程中的钢水 温度的测量是极其重要的。钢水温度高、检测环境恶劣使钢水温度测量成为 炼钢工业中的一个难题。研制一种能快速，准确，连续测量钢水温度的测量 仪对提高钢铁产品产量和质量有重要的意义。 本课题就是针对钢水连续测温，并结合实际的测温环境，研制了基于单 片机的钢水温度测温仪。文中详细叙述了课题设计的理论依据以及应用，根 据普朗克定律和维恩位移定律推导出了比色测温的理论公式。该系统的优点 是：系统能大大降低发射率对测温结果的影响，在最佳条件下，该影响可降 至零。设计方案共分为三大部分：高温探头的设计研究、光电转换和电信号的 放大、信号的处理过程。具体的步骤是利用光纤探头提取光信号，光信号经 过光纤传输通过一个由步进电机带动的、装有两个波段不同的窄带干涉滤波 片的双色调制盘，先后进行光电转换、放大、滤波送入模数转换单元a d 16 7 4 ， 把转换成的数字信号送入单片机系统a t 8 9 c 5l 进行信号的处理，并将处理后 的数字信号输出、显示。在软件设计方面，采用了模块化设计思想，设计了 与硬件配套的软件，同时也进行了软件抗干扰的设计。系统软硬件分别调试 通过后还进行了系统的联调，系统的仿真，仿真利用了韦福仿真器e 6 0 0 0 t ， 节省了系统开发的时间。最后通过模拟实验验证了光强和电压之间近似线性 的关系，同时分析了该仪器测量时存在的误差。 总之，在高温测温领域，采用光纤式测量钢水温度的方法比其它测温方 法有很多优势，如：可实现连续测温，测温费用比传统的热电偶的方法低等。 课题验证了采用比色法测量钢水温度的可行性，同时说明了光纤技术在高温 测量中应用的先进性。 关键词：比色法；光电转换；双色调制盘；光纤；辐射测温；单片机 i；，j i ， | 、 ，、 ， | r t h ed e v e l o p m e n to fi n s t r u m e n to nm o l t e ns t e e l s t e m p e r a t u r eb a s e d o nt h em c u s y s t e m a bs t r a c t t e m p e r a t u r e ，e x p r e s st h ed e g r e eo fh e a ta n dc o l d ，i sap h y s i c a lm e a s u r e ，a n d o n eo fi m p o r t a n tp a r a m e t e ro fm e a s u r ea n dc o n t r o li ni n d u s t r yp r o d u c e d u r i n gt h e s m e l t i n go ft h es t e e la n di r o n ，t h et e m p e r a t u r eo f t h em o l t e ni r o na n ds t e e ll i q u i d i so n eo ft h em o s tc r i t i c a lp a r a m e t e r sw h i c ha f f e c tt h eq u a l i t yo fs t e e la n di r o n t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t so fm o l t e ns t e e l a r e e x t r e m e l yi m p o r t a n t i n s t e e l m a k i n gp r o c e s s t h et e m p e r a t u r eo fm o l t e ns t e e l i ss oh i g ha n dt e s t i n g e n v i r o n m e n ti ss ob a dt h a tt h es t e e l - m a k i n gt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t sb e c o m ea p r o b l e mi n m o l t e ns t e e li n d u s t r y t od e v e l o pr a p i d ，a c c u r a t ea n dc o n t i n u o u s t e m p e r a t u r eg a u g e so fm o l t e ns t e e lt o i n c r e a s ey i e l da n dq u a l i t yo fs t e e lp r o d u c t s h a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h ep a p e ri sb a s e do nc o n t i n u o u sm e a s u r e m e n to fm o l t e n s t e e l s t e m p e r a t u r e c o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a lt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n te n v i r o n m e n t ， w ew i l ld e s i g ni n s t r u m e n to nm o l t e ns t e e l st e m p e r a t u r eb a s e do nt h em c u s y s t e m i nt h ep a p e r ，t h ea c a d e m i cb a s e m e n t a n di t s a p p l i c a t i o na r eg i v e n d e t a i l e di n t r o d u c t i o n a c c o r d i n gt os o m eb a s i ct h e o r i e sa n dt h el a wo nt h eb l a c k o b j e c tr a d i a t i o n ，w ec a l c u l a t e dt h ef o r m u l ao fc o l o r i m e t r ya n di nt h em e a n w h i l e w ea n a l y z e dt h ea d v a n t a g e so ft h em e t h o d t h a ti st h ec o l o r i m e t r yc a ng r e a t l y l o w e rt h eb l a s t o f fr a t ew h i c hi n f l u e n c e t h er e s u l to ft h e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t u n d e rt h eb e s tt e r m ，t h ei n f l u e n c ec a nd e c l i n et oz e r o t h ed e s i g n o ft h i ss y s t e mc a nb ed i v i d e di n t o3p a r t s ：t h es t r u c t u r ed e s i g no fd e t e c t o rf o r h i g ht e m p e r a t u r e ，a - o p t i c a l e l e c t r i ct r a n s f o r m a t i o n ，m a g n i f y i n gs i g n a l a n d p r o c e s s i n gc o u r s e t h ec o n c r e t ep r o c e s s i sa sf o l l o w s f i r s t l y ，w eu s et h e d e t e c t o rt ot a k et h el i g h ts i g n a la n dt h e nm a k ei tt r a n s m i tt h r o u g ht h eo p t i c a l f i b e r s e c o n d l y ，t h es i g n a lg o e si n t oab o t hl e n g t hm o d u l a t o r ，w h i c hi n s t a l lt w o d i f f e r e n tf r e q u e n c y sn a r r o w b a n df i l t e rc h i pa n dr u nb yc o n t r o l l e de l e c t r o m o t o r t h et w os i g n a l sc o m m i to p t i c a l - e l e c t r i ct r a n s f o r m a t i o n ，a p p l i c a t i o n ，f i l t e r a n de n t e rt h ea d16 7 4a td i f f e r e n tt i m e t h i r d l y ，a d16 7 4s e n d i n gt h ec h a n g e d d i g i t a ls i g n a li n t ot h ea t 8 9 c 5 1 s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rt o d e a lw i t h t h e d i s p o s e dd a t ai ss e n ti n t od i s p l a yt os h o wt h et e m p e r a t u r eo fs t e e la n di r o n i i i 1 东北大学硕士学位论丈 a b s t r a c t a st ot h es o f t w a r e ，t h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ew a sd e s i g n e db ym o d u l a rd e s i g n c o n c e p t sa n dt h es o f t w a r er e m o v e di n t e r f e r e n c eb yd i g i t a lf i l t e r i n g a f t e rt h e p a s so ft h ed e b u g g i n go ft h ew h o l es y s t e m ，w eu s ee 6 0 0 0 te m u l a t o rt ot e s ta n d t h u sw es a v eal o to ft i m e a tl a s t t h r o u g ht h es i m u l a t e de x p e r i m e n t ，w e v a l i d a t e dt h en e a rl i n e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e l i g h ti n t e n s i t ya n dt h e v o l t a g e ，i nt h es a m et i m ew ea n a l y z e dt h ee r r o ro ft h es y s t e m i naw o r d ，t h eo p t i c a l f i b e ri n s t r u m e n to nm o l t e ns t e e l s t e m p e r a t u r eh a s m o r ea d v a n t a g e st h a nt h eo t h e rm e a s u r i n gm e t h o d si nt h eh i g ht e m p e r a t u r ef i e l d f o r e x a m p l e ：i t c a nr e a l i z ec o n t i n u o u sm e a s u r e m e n to fm o l t e ns t e e l s t e m p e r a t u r ea n dt h e c o s ti sl o w e rt h a nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d t h et e x t i l l u s t r a t e st h ef e a s i b i l i t yo fc o l o r i m e t r yo nm o l t e ns t e e l st e m p e r a t u r ea n da l s oi t c l a r i f i e st h ea d v a n c e m e n ta n dt h en e c e s s a r i l yo ft h eo p t i c a lf i b e rt e c h n o l o g yi n t h eh i g ht e m p e r a t u r ef i e l d k e yw o r d s ：c o l o r i m e t r y ；o p t i c a l e l e c t r i ct r a n s f o r m a t i o n ；b o t hl e n g t h m o d u l a t o r ；o p t i c a lf i b e r ；r a d i a t i o nt e m p e r a t u r em e a s u r i n g ；f i l t e r 。i v ，、 i j 东北大学硕士学位论丈 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 国内外温度检测技术的发展趋势1 1 3 国内外仪器仪表的发展趋势2 1 4 国内外测温方法与测温仪器的分类3 1 4 1 测温方法的分类3 1 4 2 测温仪器的分类3 1 5 比色测温仪的发展概况6 1 6 课题来源及本文的主要内容8 第2 章辐射测温原理9 2 1 物体的热辐射9 2 1 1 辐射测温的基本概念9 2 1 2 辐射测温的物理基础l l 2 2 辐射测温的基本方法15 2 3 辐射测温仪表的基本组成15 2 4 辐射测温仪表的分类及简介16 第3 章测温仪光学部分的设计研究1 7 3 1 光纤式高温探头的设计研究1 7 3 2 光纤的选择及保护材料的选用17 3 2 1 光纤的选择17 3 2 2 光纤保护材料的选用18 3 3 双色调制盘的设计19 v 东北大学硕士学位论文 目录 3 4 两波长的选择1 9 3 5 光电转换的研究及元件的选择2 1 3 5 1 窄带干涉滤波片的选择2 1 3 5 2 光探测器的选择2 1 第4 章测温仪电路部分的设计2 4 4 1 测温仪的基本原理及结构_ 2 4 4 2 系统调理电路部分的设计2 4 4 2 1 放大电路的设计2 4 4 2 2 有元滤波器的设计2 5 4 2 3a d 转换部分2 8 4 3 单片机系统与扩展i o 口的设计3 0 4 3 1 单片机型号的选择3 0 4 3 2 单片机外围辅助元件的选择3 2 4 3 3 程序存储器扩展3 3 4 3 4 数据存储器扩展3 5 4 3 。5 键盘与显示器的设计3 7 4 3 6 时钟日历电路的设计3 9 4 3 7 通讯电路的设计4 0 4 4 印刷电路板p c b 的设计4 2 4 4 1p c b 生成之前的错误改正调试过程4 2 4 4 2 印制电路板的布线4 2 4 4 3p c b 板电路抗干扰措施4 3 4 4 4 印制电路板的尺寸与器件的布置4 5 第5 章系统的软件设计、实验及分析4 7 5 1 温度测量仪软件设计概述4 7 5 2 主程序设计4 7 5 3 数掘采集子程序设计4 7 5 4 数据处理子程序设计4 8 v i 东北大学硕士学位论丈 目录 5 5 键盘、显示子程序设计5 0 5 6 时钟日历子程序设计51 5 7 串行通讯子程序设计5 3 5 8 系统的实验及分析5 4 5 8 1 实验室的模拟实验5 4 5 8 2 仿真试验及试验的结果曲线5 6 第6 章结论5 7 6 1 结论5 7 参考文献5 8 致谢6 1 v i i p 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产过程中测控的重要参数 之一。物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，大多数生产过程均是 在一定温度范围内进行的。温度过高或过低都会对产品的质量和产量造成影 响，甚至还会使产品报废、设备损坏。因此，在国防、军事、科学实验及工 农业生产过程中，温度的测量和控制具有十分重要的作用。尤其在航天、材 料、能源、冶金、化工等领域中，高温测量占有极重要的地位 在钢的冶炼过程中，钢水的温度直接影响着冶炼生产的进行，钢水的温 度过高，将造成脱氧剂的浇损大，脱氧能力减小，对炉衬浸损严重，而氧化 镁大量浸入炉渣还使炉渣变稠。温度高，炉渣变稀、变黄，不但丧失了脱氧 能力，反而更加容易吸氧，使钢产生气泡、白点等缺陷，并且浇铸温度过高， 使钢晶粒粗大；并容易产生裂纹、缩管，皮下气泡等缺陷；对浇铸系统的耐 火材料的侵蚀也会加剧：使钢的内部杂物增多。而温度过低，又将造成钢水 和炉渣的流动性变坏不利于脱氧和脱硫，钢液内非金属夹杂物不易上滔，低 温浇铸还会使钢锭出现短尺、重皮i lj 。因此，准确控制钢水温度，成为保证 钢质量，尤其是成分质量和浇铸质量的关键。测量钢水温度的检测环境极为 恶劣，钢水温度很高，检测环境之恶劣使钢水温度测量成为炼钢工业中的一 个难题。尤其是钢水连续测温。因此，在类似于钢水温度测量的特种温度测 量中，对传感器和仪表有特殊要求。本课题就是针对钢水连续测温，并结合 实际的测温环境，研制一种基于单片机系统的多功能温度测量仪。 1 2 国内外温度检测技术的发展趋势 随着工业的同益发展，温度检测技术也在不断进步。近年来，在温度检测 领域内，除了原有的检测原理和技术( 如：物体热胀冷缩原理，热电效应技术， 热辐射原理等) 外，多种新的检测原理与技术的丌发应用也取得了实用性的重 大进展。涌现出新一代温度检测元件。主要包括： ( 1 ) 晶体管温度检测元件 ( 2 ) 集成电路温度检测元件 ( 3 ) 热噪声温度检测器 ( 4 ) 石英晶体温度检测器 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 5 ) 微波温度检测器 ( 6 ) 光纤温度检测器 ( 7 ) 核磁共振温度检测器 ( 8 ) 激光温度检测器 ( 9 ) 红外测温仪 总的说来，随着工业生产率的不断提高，自动化水平与范围也不断扩大， 对温度检测的要求也愈来愈高。目前，在这方面的趋势是朝着扩展检测范围 ( 由一2 0 0 - 3 0 0 0 向超高温、超低温发展) 、扩大测量对象( 由点测到线、面、 体的测量，从工业到环境保护、实用电器、汽车工业及航空航天) 、发展新 型产品、适应特殊环境的测温、显示数字化、标定自动化等方向发展【2 1 。 1 3 国内外仪器仪表的发展趋势 仪器仪表工业是促进国民经济各部门技术进步，进行技术改造，提高劳动 生产率和社会经济效益，开发与节约能源和材料的先导工业，仪器仪表的装备 水平在很大程度上反映出一个国家的生产力的发展和科学技术的现代化水平。 上世纪8 0 年代以来，国外智能仪器仪表已全面完成产品化开发阶段，智能仪 器仪表在工业过程自动化中的应用已极为普遍。智能化仪器仪表一出现就显示 了它的强大生命力，现己成为仪器仪表发展的一个主要方向。这类仪器仪表大 致可以分为两类：一类内含微处理器，称为“微机化仪表”，另一类，仪器本 身与微型机在硬件结构上是分开的，但仪器由微型机控制进行数据采集与处 理，称为智能化仪器。我国各仪器仪表厂也都己引进了智能仪器仪表技术，在 引进技术消化吸收基础上移植、创新、自主开发出了国产化产品。智能仪器仪 表产品，总的来看会朝着高精度、高可靠性、小型轻量化、模板模块化、数字 化、智能化方向发展。智能仪器仪表不但能进行测量，而且能存贮信号和处理 数据，有些智能仪器仪表甚至具有辅助专家推断、分析与决策的能力。智能仪 器仪表主要由硬件和软件两大部分组成，数据采集技术和各种接口技术是它的 硬件基础，数据处理技术为它的软件基础。智能仪器仪表是当代高水平测量仪 器仪表的代表，是在常规的测量仪器仪表的基础上发展起来的新一代测量仪器 仪表。智能仪器仪表主要具有以下特点【3 1 ( 1 ) 保持原有模拟仪器仪表的操作及使用特点，对不懂计算机的仪器仪表 操作人员，可按常规仪器仪表的习惯进行操作。例如，手动自动切换，参数 整定等。 ( 2 ) 具有可编程特性。 ( 3 ) 控制功能丰富。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 4 ) 计算功能强、运算精度高。 ( 5 ) 具有自动补偿、自选量程、自校正、自诊断、进行巡检等功能。 ( 6 ) 具有标准通讯接口，可与上位机相联，实现分布式自动测量系统。 1 4 国内外测温方法与测温仪器的分类 1 4 1 测温方法的分类 按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接触式两大类【4 】。 1 4 1 1 接触式测温 接触式测温的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充 分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表 了被测对象的温度值。优点：直观可靠。缺点：感温元件影响被测温度场的 分布；接触不良等都会带来测量误差【4 】，另外温度太高和腐蚀性介质对感温 元件的性能和寿命会产生不利影响。 1 4 1 2 非接触式测温 非接触测温是基于物体的热辐射特性与温度之间的对应关系而制成的。 其优点：是测温范围广；测温过程中不破坏被测对象的温度场的分布；能测 运动的物体：测温响应速度快；缺点是：所测温度受物体发射率、中间介质 和测量距离的影响。 1 4 2 测温仪器的分类 对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和非接触式两大类1 5 1 。 1 4 2 1 接触式测温仪器 ( 1 ) 利用物体热胀冷缩原理制成的温度计 利用此原理制成的温度计大致分成三大类： ( a ) 玻璃温度计，它是利用玻璃感温包内的测温物质受热膨胀、遇冷收 缩的原理进行温度测量的。 ( b ) 双金属温度计，它是采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在一起 制成的双金属片作为感温元件，当温度变化时，一端固定的双会属片， 由于两种金属膨胀系数不同而产生弯曲，自由端的位移通过传动机构带 动指针指示出相应温度。 ( c ) 压力式温度计，它是由感温物质随温度变化，压力发生相应变化， 用弹簧管压力表测出它的压力值，经换算得出被测物质的温度值。 ( 2 ) 利用热电效应技术制成的温度检测元件 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较 成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、 测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。常用的热电偶有以下几种： ： ( a ) 镍铬一镍硅，型号为w r n ，分度号为k ，测温范围o 9 0 0 ，短期 可测l2 0 0 。 ( b ) 镍铬康铜，型号为w r k ，分度号为f ，测温范围0 6 0 0 ，短期 可测18 0 0 。 ( c ) 铂铑铂，型号为w r p ，分度号为s ，在l3 0 0 以下的温度可长期 使用，短期可测16 0 0 。 ： ( d ) 铂铑3 0 一铂铑6 ，型号为w r r ，分度号为b ，测温范围3 0 0 l6 0 0 ” ，短期可测l8 0 0 。 其他还有非常用的热电偶。 ( 3 ) 利用热阻效应技术制成的温度计 用此技术制成的温度计大致可分成以下几种： ( a ) 电阻测温元件，它是利用感温元件( 导体) 的电阻随温度变化的性质， 将电阻的变化值用显示仪表反映出来，从而达到测温的目的。目前常用的有 铂热电阻( 分度号为p t l0 0 、p t l0 两种) 和铜热电阻( 分度号有c u 5 0 、c u l0 0 两 - 。 种) 。 ， ( b ) 导体测温元件，它与热电阻的温阻特性刚好相反，即有很大负温度 系数，也就是说温度升高时，其阻值降低。 ( c ) 陶瓷热敏元件，它的实质是利用半导体电阻的正温特性，用半导体 陶瓷材料制作而成的热敏元件，常称为p c t 或n c t 热敏元件。 1 4 2 2 非接触式测温仪器 对于炽热物体，有时用眼睛观察它的颜色和亮度，以估计该物体的温度。 这种估计是极其粗糙的。物体辐射的功率与它的温度有关。但是，只有黑体 的辐射功率与温度之间的函数关系己经从理论上研究清楚，得到有关的黑体 一 辐射定律。黑体或非常接近黑体的物体温度彳可以准确地用黑体辐射定律来 确定。 对于非黑体，则要由它的辐射功率，通过黑体辐射的有关定律，以最佳 的近似，方能间接的测定其温度。这种利用自身辐射来测定它表面温度的方 法 朽 衡 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 测温仪，亮度测温仪和比色测温仪。以上三种测温仪都以黑体为参考源，仪器 经标定后，在测量物体温度时，仪器读数分别为被测物体的辐射温度，亮温度 和比色温度。 全辐射测温仪是利用目标发出整个波段的辐射功率来测定物体温度的 红外仪器，其特点是结构简单、使用方便，但灵敏度较低，误差较大。亮温 度测温是选择目标某一光谱的辐射功率来测定温度的。其特点是仪器结构相 对复杂，准确性较高，并能抑制某些干扰。测量高温或低温效果较好。但全 辐射测温和亮温度测温都与目标的发射率有关。比色测温是由两组不同的单 色滤光筛选目标在两相近波长的辐射功率，利用电路对两波长的辐射功率进 行比较，根据比值来确定温度。其特点是灵敏度高，由目标发射率引入的误 差较小。特别是测量现场的烟雾、水气、灰尘以及现场局部被遮挡或测量距 离变化等因素引起辐射功率的衰减，不会引起温度指示的显着变化，在中、 高温使用较好。 非接触式温度计又可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计，由于 它们都是以光辐射为基础，故也统称为辐射温度计。 ( 1 ) 亮度温度计 物体在高温状态下会发光，当温度高于7 0 0 0 c 时就会明显发出可见光， 具有一定的亮度。亮度温度计就是利用各物体在不同温度下辐射的光谱亮度 不同这一原理制成的。它具有较高的准确度，可作为基准或测温标准仪表用。 亮度温度计的种类很多，最常用的是灯丝隐灭式光学高温计和光电高温计。 ( 2 ) 全辐射高温计 全辐射高温计是基于被测物体的辐射热效应设计的。其优点是接受辐射 能力大，灵敏度高，坚固耐用，可测较低温度并能自动记录。缺点是对c 0 2 水蒸汽很敏感，受环境中存在的介质影响很大。根据搜集辐射的方式不同， 又可分为反射式和透镜聚焦式两种。由于发射率s 总是小于1 ，所以测得的 辐射温度t p 总是低于实际温度t o 使用时要对发射率s 对读书进行校正。 ( 3 ) 比色高温计 通过测量被测物体在两个不同波长下的辐射力之比来测温的仪表，被称作 比色温度计或颜色温度计。应为实际物体的光谱辐射力o c 受环境影响比较大， 但对同一种物体的q 与占，的比值变化很小，因而可以减小黑度变化，尘埃吸收 及散射所产生的影响；此外用比色温度计测得的温度较全辐射温度计和亮度温 度计所测得的温度更接近真实温度，且测温准确度高响应快可用于小目标的温 度测量。目前，比色温度计已经广泛应用于冶金、水泥、玻璃等工业部门，用 来测量铁液、钢水、熔渣及刚转窑中水泥的温度。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 5 比色测温仪的发展概况 自2 0 世纪初隐丝式光学高温计问世以来，光学高温计己经被广泛地应用 到各个生产领域中。从早期的隐丝式光学高温计到2 0 世纪6 0 年代中期出现的 用光电倍增管作为检测器的光电高温计，再到现在普遍使用的采用光纤传输、 硅光电池作为检测器的高温测量仪，以及温度计的工作波长从单波长逐步发展 为双色( 比色) 和多色( 如图1 1 红外测温仪) ，光学高温计的功能得到了极大地 改善，仪器的测量精度、响应速度、稳定性以及分辨率也达到了相当高的水平， 这些使得光学高温计被广泛地推广和使用。 s 塑攘又 e 旋f 擎探炙 爱我 爱褫l 毡源 图1 1 红外测温仪 fig 1 1i n f r a r e dt h e r m o s c o p e 近二十多年，随着我国电子技术的飞速发展，半导体材料的进步以及计算 机技术的发展和应用，比色测温技术得到了长足的进步和发展，国产比色测温 仪的性能也显著提高。1 9 8 4 年国内冶金部自动化研究所先后研制了s w i 型比 色光纤测温仪和光纤式红外比色高温计，它们能够满足设计要求，但是电路主 要采用模拟电路实现，结构复杂、不能实现智能化。随后该所又研制了智能化 红外双色测温仪。它采用微机控制，利用滤光调制盘形成双色光，在p u b s 探 测器接收转换后在单片机中用插值法进行线性化处理，从而获得温度值。国产 b r w 一1 h 型高精度比色红外光纤温度计则利用分光镜将光路分成两路后经硅 光电池接收后，采用除法、对数、反对数、线性化以及减法等模拟电路实现了 温度测量。空军第一航空学院还设计了用担酸铿热释电探测器实现对火焰温度 实时测量的比色温度计。目前，比色高温测量仪采用结构较多的足使用各种通 道方式获得两路信号后采用单片机进行数据处理，获得温度值。另外，浙江大 ， 鼻 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 学还采用了减比测温法和三片截止型滤光片等技术来提高比色测温的灵敏度。 近年来，随着d s p 技术的广泛应用，d s p 芯片也运用到比色测温仪中，来作 为大量的现场数据的处理器。武汉大学就在此方面设计了一种基于d s p 和 m c u 双处理器的内调制光纤比色测温仪，d s p 处理器的引入大大提高了数据 处理的能力，从而使仪器响应速度提高，同时能够对环境温度变化大、周围环 境恶劣的高温物体进行高精度测量【6 j 。 目前，比色测温仪的光分路接收系统主要有以下几种结构： ( 1 ) 光学分光：主要是使用分光棱镜分光，性能稳定可靠，但是体积较 大。 ( 2 ) 棱镜分光系统：主要由色散棱镜展开成连续光谱而选择双通道单光 路系统，取消了窄带滤光片，使得仪器的抗老化能力加强环境温度影响小性 能稳定，精确度高，但光学系统复杂，仪器体积很大。 ( 3 ) 双色调制盘系统：它是由电机带动双色调制盘转动，光电探测器交 替接收两个波段的辐射，产生两种信号，克服了使用两个探测器因温漂与时 漂的不一致而产生的误差。但这两个波段的测量是分时的，因此信号处理速 度不会很快，响应时间要长一些。 ( 4 ) 分叉光纤系统：该系统使用光纤分叉器，从而形成两路光路。系统 结构简单，体积小，响应速度快，测量精度与稳定性也较高。 比色测温仪可以分为单通道单光路式、单通道双光路式、双通道调制式 和双通道非调制式四种结构。单通道式的结构中因带有调制盘调制，仪表动 态品质降低，不适用于快速测量而且仪器结构复杂。双通道非调制式与带调 制式相比动态品质较好，测量精度及稳定性也较高且结构简单。无论用那种 光路系统，比色法测温的原理基本相同。如图1 2 所示 1 2 比色法测温原理 f i g 1 2t h et h e o r yo fc o l o r i m e t r y 因此，本课题所要研制的光纤式钢水温度测量仪拟选用单通道的调制式 比色方法，但需要选择稳定而对称的检测元件。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 6 课题来源及本文的主要内容 本课题研究的是与一种特种保护管配套使用，用于钢水温度连续检测的 ， 仪器。研究的主要出发点是有关钢水温度的测量，目前世界上广泛采用消耗 型热电偶，可是采用消耗型热电偶测温存在着如下问题： ( 1 ) 测温探头为一次性，测温费用较高； ( 2 ) 每次测量后必须更换探头，难以实现自动化； ( 3 ) 不能连续或高频率测温。 鉴于以上情况，本课题将对用光纤的方法进行钢水温度的测量进行必要 的研究与讨论，并根据实际情况定出相应的设计方案，并对方案进行进一步 j 的研究、实验和相应的分析。 8 一 东北大学硕士学位论文第2 章辐射测温原理 第2 章辐射测温原理 2 1 物体的热辐射 2 1 1 辐射测温的基本概念 首先介绍几个与辐射测温的基本概念1 7 】，以助于对辐射测温的理解。 ( 1 ) 辐射能 当物体温度高于绝对零度时，就会以电磁波的形式向外辐射能量，这种 能量称为辐射能。物体的辐射能包括各种波长，如x 光、紫外光、可见光、 红外光、无线电波等。 ( 2 ) 热辐射 辐射测温技术最关心的是物体所能吸收的，而且在吸收时又能重新转变 为热能的那些射线，这些射线主要集中在红外波段，它们的热效应显著，所 以又把这部分的电磁波称为热射线或热辐射。物体的热辐射程度主要由物体 的温度决定，所以也称温度辐射。物体的温度辐射特性是光学温度传感的基 础，也是红外探测、红外遥感、红外跟踪制导等红外技术的基础。 热辐射电磁波具有以光速传播、反射、折射、散射、干涉和吸收等特性。 它是由波长相差很远的红外线、可见光及紫外线所组成的，它们的波长范围 从10 。3r n 到10 一m 。可见光只是其中很小一部分，约为o 3 0 7 8 9 m ，比o 3 8 1 a m 更短的称为紫外线，比0 7 8 肛m 更长的称为红外线。 ( 3 ) 辐射力 辐射力指单位时间内从单位面积向半球空间各方向发射的全部波长的 总辐射能量，又称为半球总辐射力、辐射能力、辐射公率。用符号e 表示。 辐射力与物体温度及其性质有关。它包含波长允从0 0 0 所有波长的总辐 射能量。在低温时，物体辐射能量很小，主要发射的是红外线。随着温度 的升高，辐射能量急剧增加，辐射光谱也向短的方向移动，在5 0 0 左右时， 辐射光谱包括部分可见光；到8 0 0 时可见光大大增加，即呈现“红热”；如 果到3 0 0 0 时，辐射光谱则包含更多的短波成分，使得物体呈现“白热”。 有经验的人员从观察灼热物体表面的“颜色”来大致判断物体的温度，这就 是辐射测温的基本原理。但这种判断是相当粗糙的，精确地判定物体的热辐 射及其温度之间的定量关系是辐射测温的重要研究内容1 8 1 。 ( 4 ) 光谱辐射力 东北大学硕士学位论文第2 章辐射测温原理 在某一波长附近取一单位波长间隔：五五十d t ，则单位时间内从单位面 积，在此单位波长间隔内，向半球空间发射的能量称为此波长的半球光谱发 射力，简称光谱辐射力或单色辐射力，用符号毛表示，单位为w m 3 或w ( m 2 um ) 。光谱辐射力又可定义为：微元波长范围内的辐射力除以该波长范围， 即 b = 瓦d e ( 2 1 ) d 九 显然，辐射力与光谱辐射力有如下关系： e 2 j 易d 元 ( 2 2 ) ( 5 ) 发射率 描述物体发射本领的物性参数称为发射率，又称辐射系数、黑度系数、 辐射率、黑度，见式( 2 1 ) 。它与物质种类、温度及物体的表面状态( 如表面粗 糙度、氧化程度) 有关。 同上，描述物体某波长发射本领的物性参数称为光谱发射率，又称光 谱黑度系数，见式( 2 2 ) 。它与物质种类、波长、温度及物体的表面粗糙度有 关。 ( 6 ) 黑体、白体、镜体和透明体 如图2 1 所示，当辐射能投射到物体表面上时，在一般情况下，其中一 部分被物体吸收，一部分被反射，另一部分可以透过物体。则根据能量守恒 定律得。 r 包| l 图2 1 入射辐射能量分布 f i g 2 1t h ed i s t r i b u t i n go fi n c i d e n c er a d i o a c t i v ee n e r g y 0 0 = q + 绕+ 9( 2 3 ) 式中，e o 为外界投射到物体表