（机械工程专业论文）光纤钢水温度测量仪研究与设计.pdf

武汉理t 人学硕l ：学何论文 摘要 在钢铁冶炼过程中，温度量是十分重要的工艺参数。温度测量直接关系到产 品的质量与牛产成本。因此，准确地进行牛产过程的温度测量，对指导牛产的正 常进行意义重大。 本文对热电偶测温技术进行了简单的介绍，同过和光纤温度测温测量相比， 光纤传感技术有抗干扰能力强、结构简单、可靠性强及灵敏度高等优点，得到了 大力的发展并广泛的使用。本文根据光纤传感技术叙述了对比色法测温原理的研 究及应用。和传统辐射测温相比，比色法测温将发射率对结果的影响降到了最低。 比色温度计的设计分为高温探头设计、光信号的采集处理以及温度显示部分。首 先叙述了探头高温保护材料选择及结构的设计，然后通过辐射功率与温度、波长 的函数关系，结合测量灵敏度和波长范围等要求选择适合的滤波范围，并选取合 适的信号分离方式，用波分复用器将信号分离。最后进行信号的放大及滤波之后， 通过所选用的8 0 9 6 8 0 9 8 单片机片内集成的a d 转换器进行信号的数模转换，再 处理和显示信号。 由于热电偶测温技术已经十分成熟，所以本文最后其测量结果与比色温度计 的进行了对比。比色温度计从测量结果上与热电偶测量相同，但同时又克服了热 电偶测温的一些不足，这也说明了比色温度计运用与高温测量的光明前景。 关键字：比色温度计；光纤；辐射测温；单片机；高温探头 武汉理t 人学硕。l ：学何论文 a b s t r a c t s t e m p e r a t u r ei sav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e ri nt h ep r o c e s so f s t e e ls m e l t i n g t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti sd i r e c t l yr e l a t e dt oq u a l i t ya n dp r o d u c t i o nc o s t so ft h e p r o d u c t t h e r e f o r e ，i t so fg r e a ts i g n i f i c a n c et om e a s u r et e m p e r a t u r ea c c u r a t e l y d u r i n gt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o n o p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nv i g o r o u s l yd e v e l o p e da n d e x t e n s i v e l yu s e d b e c a u s e o fs t r o n ga n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , s i m p l es t r u c t u r e ， p o w e r f u lr e l i a b i l i t ya n dh i g hs e n s i t i v i t y t h i sa r t i c l en a r r a t e st h e r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fc o l o r i m e t r i ct h e r m o m e t r yp r i n c i p l eb a s i n go no p t i c a lf i b e rs e n s i n g t e c h n o l o g y c o m p a r i n gt ot r a d i t i o n a lr a d i a t i o nt h e r m o m e t r y , c o l o r i m e t r i c t h e r m o m e t r yh a sr e d u c e dt h ee m i s s i v ei n f l u e n c et oam i n i m u m t h ed e s i g no ft h e c o l o r i m e t r i ct h e r m o m e t e ri sd i v i d e di n t oh i g h t e m p e r a t u r ep r o b ed e s i g n ，t h e o p t i c a ls i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n ga sw e l la st e m p e r a t u r ed i s p l a y f i r s t l y , i t n a r r a t e st h eh i g h - t e m p e r a t u r ep r o t e c t i v em a t e r i a l ss e l e c t i o na n dt h ed e s i g no ft h e s t r u c t u r eo ft h ep r o b e t h e nt h r o u g haf u n c t i o no fr a d i a t i o np o w e r , t e m p e r a t u r e a n dw a v e l e n g t h ，c o m b i n e dw i t ht h er e q u i r e m e n t so ft h em e a s u r e m e n ts e n s i t i v i t y a n dw a v e l e n g t hr a n g es e l e c t sa na p p r o p r i a t ef i l t e rr a n g e a n dt h e nu s et h ew d m t os e p a r a t es i g n a la c c o r d i n gt ot h ep r o p e rs i g n a ls e p a r a t i o nm e t h o d f i n a l l y ，i tc a n c a r r yo nt h ed i 百t a l - a n a l o gc o n v e r s i o no fs i g n a lb yt h ec h o i c eo f a dc o n v e r t e ri n t h e8 0 9 6 8 0 9 8 m i c r o c o n t r o l l e rc h i pa f t e ra m p l i f y i n ga n df i l t e r i n gt h es i g n a l ，t h e n p r o c e s sa n dd i s p l a yt h es i g n a l f o rt h et h e r m o c o u p l eh a sb e e nc o m p l e t e l ym a t u r e ， i th a sab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h et h e r m o c o u p l ea n dac o n t r a s to ft h em e a s u r e m e n t r e s u l t st ot h ec o l o r i m e t r i ct h e r m o m e t e ra tt h ee n do ft h i sp a p e r c o l o r i m e t r i c t h e r m o m e t e ra n d t h e r r n o c o u p l ea r et h es a m ef r o mt h em e a s u r e m e n tr e s u l t s ，b u t a tt h es a m et i m ei to v e r c o m es o m es h o r t c o m i n g so ft h et h e r m o c o u p l e ，w h i c h e x p l a i n st h eb r i g h tp r o s p e c t so ft h ec o l o r i m e t r i et h e r m o m e t e r u s ei nh i g h t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t k e yw o r d s ： r a d i a t i o nt h e r m o m e t r y ，o p t i c a lf i b e r , s c m ，h i g h - t e m p e r a t u r e i i 武汉理t 人学硕i j 学位论文 1 1 概述 第一章前言 在钢铁冶炼过程中，温度量是十分重要的工艺参数。在炼铡的各个重要工艺 环节中，均需测量熔体温度，例如铁水脱硫时的温度，铁水入炉前的温度，转炉终 点钢水温度以及通过温度测量而获得成分控制、炉后钢水包中钢水温度、炉外钢 水处理时钢水温度以及浇注过程中的钢水温度。温度量对产品的影响是直接关乎 到其质量和成本费用的。当钢水温度过高时，对炉渣的影响十分的巨大，首先炉 渣丧失脱氧能力并易吸氧，使产牛出的钢牛气泡、白点等缺陷，而且脱氧剂的脱 氧能力因而受到影响，浸损炉衬，氧化镁会浸入炉渣导致炉渣变稠；此外炉渣也 会变化加快，需要增大硅粉、碳粉的加入量，导致钢水的成分会发牛波动，增加 操作难度；不仅如此，还会造成钢晶颗粒粗大，容易产生缩管、皮下气泡及裂纹。 炉渣及钢水的流动性会因为温度过低而变得很差，会严重的阻碍脱氧利脱硫，钢 液中的非金属杂质不易上滔，还会使钢锭有短尺、重皮的出现。所以说，在炼钢 过程中，有一项具有十分重要意义的环节，那就是对钢水温度的测量。 1 2 目前钢水温度测量的现状 冶钢过程中，钢水的温度一般在1 5 0 0 到1 6 0 0 度左右，想要以更快速的方法， 更高的精度去获得熔融金属溶液的温度，工作人员以对远红外光学、黑体及灰体 有关特性进行研究并作为基础，设计了不同的光学温度计。根据测量方法的不同， 我们将光学温度计做出两种分类，分别是接触型温度计和非接触型温度计。两者 的区别在于接触型温度计，其传感器探头需要深入到熔融金属溶液的内部来获取 温度信息，而非接触型的利用的是物体的热辐射，在外部即可以获得温度信息。 相对来说，接触型温度计的稳定性好，更加的可靠，但是用于测量的探头部分会 因为温度过高而烧毁，造成了一定消耗，成本会高点。而非接触型温度计就不会 有一次性消耗的情况发生，它可以长期且连续使用，响应时间也会更短，测量也 会更加方便，但是其抗干扰性很差，包括发射率以及使用的环境都会对其测量结 果产生不良影响。 武汉理下人学硕l ：学位论文 远红外测温仪是最常见的非接触型测温仪器，它可以远距离进行温度的测 量，但是测量结果极为不稳定，温度变化率过大、操作方法、空气中杂质等都会 大大干扰其测量精度。 光纤技术被引入之后，使接触型光纤温度计有了进一步的发展空间。可以使 用功能型光纤技术，光纤用来完成探测和传送信号作用，实现长距离、稳定、可 靠的温度测量。但是由于绝对黑体的难以实现，发射率的影响会导致测量结果的 精确度差，近年来提出利用灰体测温原理，即比色法测温，将由于灰体的发射率 产生的影响降到了最低，甚至是零。总的来说此种测温的优点是：高精度、响应 时间很小( 响应时间在l o s 左右) ，那么系统测量也会更加迅速。 使用接触型温度计必须要有可以用来抗高温的保护管，保证探头在深入到测 量深度之前不致于完全的烧毁，并且还可以解决炉中可能出现的烟气和熔渣的影 响。我们常常用来制作高温保护管的抗高温材料有：金属陶瓷、刚玉、炭化硅、 石墨、三氧化二铝等。 1 2 1 光纤传感测温的优点 在工业自动化不断进步的时代，辐射测温技术被广泛的应用。为了解决动态 测量高温或者超高温度物体这个难题，从上世纪末开始，光谱测温技术在各个国 家展开研究，尤其是在那些欧美发达国家当中。目前采用辐射方法测量高温物质 已经是一个科学而且实用的途径。 光纤传感技术则是一个新生方向，其诞生在2 l 世纪7 0 年代末期。该技术是 将传感和信息传输综合n 1 ，并利用他们各自所拥有的特点，使其有灵敏、响应快 速、动态范围大、抗电磁干扰能力强、防爆、可用于分布式测量及远距离遥感等 优点。 低损耗石英光纤研制的成功开启了光纤传感技术的发展之路。1 9 7 0 年，信 号传送过程中的损耗只有2 0 d b k m 的石英光纤诞生于美国，随着光纤传感技术进 一步的研究，它已经走出了单一的通信领域，踏入了传感器领域。光纤通信技术 早已投入到了大规模使用阶段，而传感器技术发展则远远落后于光纤在通信领域 的发展，但还是有一些特定类型的光纤传感器走出实验室进入了市场。目前国内 对光纤传感技术的研究很多，并研制出了许多类型的光纤传感器。因为具有其天 2 武汉理t 人学硕+ l j 学位论文 牛就带来的一些优异特性，光纤传感器得到了飞一般的发展和运用。总的来讲， 相对于传统传感器，得到重视和发展的光纤传感器的长处十分突出： ( 1 ) 灵敏度有大的提升妇1 ： ( 2 )对被测量对象没有物理或化学上的影响； ( 3 )由于光纤的特性，它是非电介质，在包括高压、易腐蚀、高温度的恶 劣环境当中一样十分稳定安全； ( 4 )较宽的频带优势，增加了其动态范围； ( 5 )多变的几何形状： ( 6 )可以以不同的变量作为其测量值： ( 7 )可以用于光纤遥测技术，完成远距离测量和控制； ( 8 )便于与计算机的连接； ( 9 ) 体积小且重量轻； ( 1 0 ) 可以用于光纤通信技术，完成分布式测量。 光纤传感技术已经在其他领域，包括航海、航天、炼油、医疗、核工业领域 得到了应用，其中包括温度、压力、间隙、速度的测量类型的运用，并且在各个 领域中到发挥到了巨大作用。因此，应用光纤传感器测量钢水温度这个课题，也 是目前的一项需要深入的研究的科目。 热电偶测温计是一种最为流行的接触型高温测温计，也是现在运用的最广 泛的测温计，但其有一定的局限性口】： ( 1 ) 测温探头一次性，因此成本高； ( 2 ) 结束测量以后，探头因烧毁必须更换，更换比较复杂； ( 3 ) 无法快速多次测量。 我们所说的热电偶阳1 就是一种感温元件，它作为最成熟的高温测量技术， 依靠其高的稳定性以及其设计的多样性，流行于全球各大各大钢铁冶炼厂。以下 是对热电偶测温的简单介绍，以便我们可以使其与比色温度计进行一个初步的比 较。 热电偶测量技术属于接触型测温方法，将两种由不同材料组成的导体或者是 半导体的一端对接焊在一起，形成一个闭合的回路，就组成了热电偶。将焊接端 放入需要测量温度的位置，当两端的温度不一样的时候，就会产生热电势，也就 3 武汉理t 人学硕l j 学何论文 是所谓的塞贝克效应( s e e b e c ke f f e c t ) ，于是它变成为了感温元件，并将温度 型号转换为电信号并通过仪表显示的方式反映出来。这里值得注意一点的是利用 热电偶测得的温度是热电偶两个工作端的温度差值，并非是实际目标测量点的真 实温度值，所以，这里需要在对已经获得温度的一端的温度值上进行简单的加减 处理。 总的来说，热电偶测温是利用了热屯效应达到的测温的目的。如图( 卜1 ) 所示，任意不相同的a 和b 两种材料首位焊接在一起形成了一个回路，只要两端 t 1 和t 2 处的温度有所不同，就会有热电势产牛，从而产牛热电流。 t 1 a b t 2 图1 - 1 热电偶探头 影响热电势的大小除了热屯偶两端的温度差之外，还与热电偶的材质有关， 对于同种材料，可以利用两端的温度与产生的电势的函数关系式来计算出测量温 度值来。当随着温度的升高，热电偶工作时的热电势也会随之升高。 我们常用的热电偶材料以及适用的温度范围如下表( 卜1 ) 所示： 热电极材料适用温度( 摄氏度) 铂铑合金( 铑含最在l o ) 伊一1 4 0 0 铂铑合金( 铑岔最在1 3 )伊一1 4 0 0 铂铑合金( 铑含吊在3 0 ) 伊一1 4 0 0 镍铬镍硅2 0 0 叶10 0 0 纯铜铜镍 2 0 伊一+ 3 0 0 铁铜镍2 0 伊一+ 6 0 0 镍铬硅镍硅2 0 0 斗12 0 0 镍铬铜镍2 0 d 斗7 0 0 表1 - 1 热电极材料适用温度范围表 热电偶探头接受到了信号，并用放大器将信号放大送给a d 转换器进行处理 后交给微机处理系统，一般来说采用普通的c 5 1 系列单片机即可完成一系列的运 算，最后通过单片机的输出接口将信号传送给l e d 进行温度的显示。 4 武汉理t - 人学硕i j 学何论文 在以上的表( 2 - 1 ) 中我们可以看出，制造热电偶的材料成本很高，但是一 般都需要将已知温度的低温端引入到环境状态更加稳定的窒内，所以测量距离一 般都不会太短，这个时候就需要用在两极之间用导线来连接，这个时候就需要进 行温度的补偿，这对测量的精确度来说是十分重要的。 任何的测量都会有误差，热电偶测量温度肯定也不例外的有其误差的产牛。 相对于光纤测温而言，以下是热电偶测温不一样的误差来源： 1 首先热电偶测温必须深入到金属熔融液体内部，那么保护套是必不可 少的，那么在保护套和热电偶之间必定会有一定的间隙，那么这个间 隙可能会导敛有温度低于金属熔融液体温度的空气进入，这个时候测 量出来的温度必定会有一定的误差存在，要解决这个问题，就要在保 护套和热电偶之间的间隙中塞入足够的绝热材料，防止热量流失。 2 热电偶测温会受到强磁场的干扰，对测量结果造成影响。 3 冷端温度不准确对结果计算造成的影响。 4 热电偶在测量中必须绝缘才能保证产牛的热电动势不至于损耗，但是 保护套中的污垢有影响绝缘效果，从而导致因为电势的流失而对测量 结果造成误差。 5 热屯偶是具有热惰性的，从而使我们的测量温度总是滞后与实际温度 的。由于滞后的存在，测量出来的温度波动大小会小于实际的温度波 动大小，而且这个差值会随着滞后的增加而增加，这个就会直接导致 实际温度和测量温度差异的增大。 实际综上分析的热电偶测量金属熔融液体问题误差产生的原因可以发现其 与利用光纤进行比色法测温的差异所以，比色法测温信号来自于金属液体内部的 辐射，所以抗干扰能力强而且不受距离的限制，而热电偶测温靠的是热量的收集 以及电势信号的获取，但是偏偏热量和电势差都是容易因为环境或者设备的影响 而有部分流失的，所以说其精准度相对而言就不是那么高了。 除此之外，比色法测温的一个最大优点就是它将光谱发射率对测量结果造成 的误差最小化，或者说是几乎可以忽略。根据不同物体的辐射特性，应尽可能的 选择拥有相同或者接近的光谱发射率的两个工作波段，这样可以减小所测量的温 度的误差值。 5 武汉理t 人学硕? i ：学何论文 在前面我们了解到了水蒸气、尘埃、烟雾、等干扰因素对红外线测温有着十 分巨大的干扰，无论是亮度测温法还是辐射测温法都会受到极大的影响，重大的 干扰可能会导致测量结果与实际值产牛极大误差，失去测量的意义。由于测量环 境，包括温度、湿度、烟雾等对比色测温的干扰十分小或者是没有，因此，我们 只需要选择合适的波长，就可以获得准确的、与实际温度几乎相同的测量结果。 另外，比色温度计产牛的输出信号的记录可以是自动的并且实现远距离传送 和调节。因此，就算比色法测温计的结构相对于其他仪器更为复杂，但是其还是 十分广泛的应用于工业牛产和科学研究中。 1 2 2 光纤传感器的分类 若是以功能作为分类的标准，其可分为功能型和传输型。功能型，顾名思 义，就是利用其自身对温度的敏感性质而进行温度的测量，而传输型则仅仅是利 用了光纤对信号的传输性质的特点，在测量装置的两端仅仅起到一个桥梁式的传 送信号的作用而已。 功能型即传感型光纤传感器应用价值很大但是成本高，技术难度大，目前此 技术大多仍处于实验研究阶段。传输型即传光型光纤传感器的种类较多，分别利 用不同的热敏元件，有热电阻或者热电偶的光电混合型、光路遮断型以及利用透 射率、发光时间、光强、反射率、相位等特性进行检测的透光或发光型传感器。 若是以传播方式分类我们可以将光纤传感器分为多模型和单模型眵1 。如果我 们把光波在光纤中的波动分解成分别代表横、纵方向的x 、y 轴的运动，y 轴上 的光波会在纤芯和包层上进行全反射，这个反射在y 轴上的反复相位变化成为 27 的整数倍时，会有驻波形成，那么由驻波形成的一组光线就是模，光纤越粗 其模也就越粗，多模型的光纤往往被选作非功能性光纤传感器，而单模型常常被 用为功能性光纤传感器。 若是选择不同的调制参数，还可以分为：强度调制光纤传感器、频率调制 光纤传感器、波长调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感 器等。 6 武汉理丁人学硕l ：学位论文 2 1 物体的辐射 第二章熔融钢水温度测量原理 任何物体都会不断的自发地向外发射电磁波。常温物体发射的电磁波牛要是 集中在红外波段，也就是波长在o 7 8 a m 以上的电磁波，其有较强的热作用，故 称为热辐射。由于辐射的强度牛要和物体的温度有关，因此也可以叫做温度辐射。 热辐射电磁波以光速传播阳1 ，具有光学特性，它由波长范围从1 0 3 m 到1 0 - 8 小 不等光线组成，包括红外线、可见光以及紫外线。当温度向正方向移动时，辐射 光谱波长的移动方向则正好相反，是在不断的减小的，当然辐射能量肯定是会越 来越大，并且在达到8 0 0 。c 时，波长会集中在可见光波段，当在红外波长周围时， 会表现出我们所称作的“红热”；当温度继续上升，并且超过3 0 0 0 。c 时，辐射光 谱波长会继续减小，会表现出我们所称作的“白热”。这也是有经验的人员根据 颜色来估计金属溶液问题的原理( 可见图2 - 1 中电磁波谱的划分) 。 2 2 热辐射的重要参数 1 辐射能q 我们已经了解到任何物体都会不断的向外发射电磁波或者粒子，这其实就是 物体发送能量的一种方式，这个过程就是我们常常指的辐射，这其中产生的能量 的大小我们称之为辐射能q 。单位：焦耳【】。 既然辐射这个过程是以波动的形式进行传播的口3 ，那么我们将对应的过程中 的波长按一定升降序的规则进行排列也就有了电磁波谱，如图( 2 - 1 ) 所示。 7 武汉理t 人学硕l j 学位论文 1 0 51 0 41 0 d1 0 五 o 4 o7 61 0 波长( 腑 图2 - 1 电磁波谱的划分 2 辐射能通量 我们可以称之为辐射率，其反应的是辐射能随时间的变化率，其数学形式 就是将辐射能对变量t 求导，其公式为： 中：塑( w )( 2 一1 ) d l 类似的辐射强度i ，指单位面积上照射到的辐射通量的大小，单位：瓦球 面度( w s r ) 。 3 辐射出射度m 离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能通量除以该单元面积称为该点 的辐射出射度，其数学形式是将辐射通量对变量s 求导，其公式即为： m = d 甜o ( w m 2 ) ( 2 2 ) 4 辐射亮度三 辐射亮度l 从物理角度的理解是指发射出辐射量的物体在确定的方向上的 辐射亮度，即是辐射源在此确定的方向上面的投影面积上输出的辐射功率，其单 位是( w ( m 2 s t ) ) 。 2 3 热辐射的基本物理量 1 辐射本领m ( a ，r ) 辐射本领公式是： 8 武汉理t 人学硕i ：学位论文 州们) = 老( 2 - 3 ) 单位：瓦每微米平方米( w l z m m 2 ) 可以看出，辐射本领指的就是单位波长在面冗上的辐射通量的大小。 2 吸收率a ( a ，丁) 简单的说，吸收率指的就是辐射对象吸收的指定波长( 包含带宽) 的辐射通 量和其接收到的总的辐射通量的比值，不同波长a 在相同温度下的吸收率是不一 样的，定义式为： 哪刀= 警 ( 2 - 4 ) 3 绝对黑体 我们将吸收率口( a ，丁) = 1 的物体称为绝对黑体，它说明了该物体可以吸收来 自任何波长段的所有热辐射，黑体是辐射吸收本领最强的物体，然而实际上真正 的黑体是不存在，它是一种理想化的物体。 4 物体的发射率占( a ，r ) 和吸收率相反，发射率指的是实际物体发射出的辐射能量与理想化的绝对黑 体发射出的能量的比值，即： m = 姑焉 浯5 ) 同样的，从表达式也可以看出，非黑体，即是其发射率在0 占 1 之间，它 的辐射能力的大小受温度影响而发生改变，发射物体表面组成对发射率有直接关 系。由于绝对黑体只是理想化的物体，我们能在现实生活实现的非黑体的吸收率 往往最大在0 9 6 - 0 9 9 。 2 4 辐射能的分配 物体接收到辐射之后，并不是完全将其吸收，根据物质特性的不同，能量会 分成三部分，分别将会被吸收、穿透或者是反射，如下图( 2 - 2 ) 所示。 9 武汉理t 人学硕i j 学位论文 q 月 q 4 q d 图2 2 辐射能量分配不恿图 如图( 2 1 ) 所示，图中我们将物体接收到的辐射总能量称为q ，其分为的 三部分分别为被吸收掉、穿透、反射的q 、q d 以及绋，则有 q = 既4 - q d + 骗 ( 2 - 6 ) 或是 k 警+ 害+ 警= 口+ f + p ( 2 - 7 )qqq 其中，式中口吸收率，物体吸收与接收到的辐射能之比； f 透射率，穿透物体与物体接收到的辐射能之比； p 反射率，物体反射与接收到的辐射能之比。 那么对于绝对黑体而言，害= 口= l ，即是f = o p = 。可以看出式子中表 示的是物体所接收到的能量全部被物体本身所吸收，没有辐射能量的反射和透射 部分存在。 若是害= r = l 时，表达的是物体所接收到的辐射能量全部都穿透物体，既 没有吸收也没有反射现象的存在，那么这种物体我们可以称之为透明体。 若是警= p = l 时，表达的是物体接受到的辐射能量完全地被反射出去，根 据物体表面的不同会有漫反射和镜反射的区别，这类物体我们称之为“绝对白 l o 武汉理t 人学硕l j 学何论文 体”或者是“白体”。 若是垒学= l ，即是f = o 而a + p 21 时，表明物体将接收到的辐射能量 被物体吸收或者反射，没有穿透物体，也就是说没有投射现象的发牛，我们称此 类物体为灰体。 以上除了灰体以外，同黑体类似，在实际牛活中白体和透明体也只是理想化 的物体，是不可能真实存在的，而其中的a 、f 和p 是随着物体特性、辐射的波 长段以及温度的不同而不一样的。但是也有一定的规律性，相对而言，气体的r 值会高于一般物体，相反，固体或者液体的f 值就会很小甚至为零。 2 5 热辐射的基本定律 2 5 1 基尔霍夫定律 基尔霍夫定律是关于物体热辐射的基本定律，它建立了实际物体辐射和理想 黑体之间的关系。 基尔霍夫定律表明：各物体的辐射出射度和吸收率的比值都相同，它是和物 体的性质无关的，是关于物体的温度t 和发射波长a 的函数。 即： 而m o ( a , t ) = 粉= 嬲蚓0 00r a m 妒) ( 2 - 8 ) v - 一= 二一= = _ 一= r - ，l 口o ( a ，r )a l ( a ，r )a 2 0 ( a ，丁) 。、”7 式中，m 。( a ，r ) ，肘。( a ，r ) ，肘2 ( a ，丁) ，是物体厶，彳。，鸣，的单色( a ) 出射度。 ( 允，r ) ，口i ( a ，r ) ，a 2 ( a ，r ) ，是物体以，彳l ，鸣，的单色( a ) 吸收率。 假设黑体a o ，则有口。o ，r ) = 1 ，由基尔霍夫定律可以得出： 磐架：i m 2 ( 鬲a , t ) - - t t - - m 。( ) ( 2 _ 9 ) 口l ( 旯，丁) 口2 ( 允，r ) o 。7 、。7 综上我们可以如此理解基尔霍夫定律：物体的辐射出射度和吸收率之比的大 小就是在此温度以及波长不变的情况下绝对黑体的辐射出射度。 武汉理t 人学硕i j 学位论文 若是肘( 旯，丁) 是a 在a 波长段的辐射出射度，那么由上式可以得出： 黑：口( a ，丁) ：s ( a ，丁) m o ( 旯，丁) 一一。 ( 2 1 0 ) 这其中，我们将占( a ，t ) 定义为a 在单波长a 下的发射率或者是黑度系数。它 指的是在相同的温度t 和a 条件下，来自a 的辐射出射度与绝对黑体的辐射出射度 大小的比值。通常的黑度系数占( 旯，t ) 1 ，g ( a ，t ) 的大小越趋于1 说明物体与黑体 的辐射能力越接近。 通过基尔霍夫定律可以知道，任何物体所具有的吸收能力都和其辐射能力在 数值上是一样的，即是说a ( a ，r ) = t c t ，r ) 。由此可以推论出物体的辐射能力越 强，相应的其吸收能力也会越强。 在全波段之中，对于任何物体，我们对此范围内的单波长出射度进行积分， 得到的即是在此波段当中的全辐射出射度： ooo m ( t ) = 【m ( a ，t ) d t = 【a ( a ，t ) m o ( a ，丁) 钡= a c t ) l m o ( a ，r ) d 2 = a ( t ) m o ( r ) ( 2 - 1 1 ) 这其中的a ( t ) 指的是当温度为t 的时候物体a 的全吸收率，肘。( 丁) 指的是在 相同温度之下的黑体的全辐射出射度。 因此基尔霍夫定律的积分形式为： 黑：a c t ) - - g ( r ) c 2 1 2 ) m o ( r ) 、 其中我们将g c t ) 定义为物体a 的全发射率，也叫做全辐射黑度系数。 2 5 2 普朗克定律 普朗克定律指出：当温度为t 时候，半球面方向由单位面积大小黑体在波长 为a 的时候产生的辐射出射度是： 肘。( a ，r ) = 2 砌c 2 f 5 【瓴p ( 而h c ) 一l 】1 = c 。r 5 【e x p ( 嘉) 一l 】- i ( 2 1 3 ) 式中，c 一真空中的光速( 2 9 9 7 9 2 4 5 8 1 0 8 m s ) ； 1 2 武汉理t 人学硕i j 学位论文 丁一绝对温度； h 一普朗克常数，( 6 6 2 6 1 7 6 1 0 。4 j s ) ； 七一波尔兹曼常数，( 1 3 8 0 6 6 2 4 4 1 0 _ 2 3 ，k ) ； c 1 一第一辐射常数，( 2 r t h c 2 ：3 7 4 1 8 1 0 6 w m 2 ) ； c 2 一第_ 辐射常数，( 譬= 1 4 3 8 8 1 0 2 m k ) ； 如下图( 2 - 3 ) 中所示为黑体辐射的特性曲线，从中可以得到波长以及温度 跟黑体的光谱辐射亮度之间的关系： o 1l o1 0 0 图2 - 3 黑体辐射的特性曲线 我们利用普朗克公式进行设计分析得出了黑体辐射特性曲线。从图中我们可 以看出其所具有的几个性质睛1 ： ( 1 ) 温度对总辐射出射度的影响是其与温度的大小是成正比的，它随温度的 升高而升高。 ( 2 ) 在温度相同的情况之下，光谱辐射出射度和波长之间的关系是有规则的 我们定义曲线最高处的波长称为九，当波长位于九左边的时候，辐射出射度同 波长大小成反比的关系，当波长位于l 的右边时，辐射出射度同波长的大小成 反比的关系。 ( 3 ) 随着温度的变大，光谱辐射出射度曲线对应的最高处的波长与温度的大 1 3 武汉理t 人学硕i j 学位论文 小成反比变化，波长是变短的趋势，那么辐射亮度会变大，对应光的色彩也会随 之不同。 2 5 3 维恩位移定律 曲线的最高点处对应的九随着温度的不断升高向着变短的趋势发展。在黑 体光谱辐射亮度在最大值的位置的时候，丸与物体的实际温度t 的乘积是一个常 数。以上即是通过普朗克公式进行推论得到的维恩位移定律： 九t = 2 8 9 7 8 1 0 m k ( 2 1 4 ) 很清楚的可以看出，温度t 与其辐射光谱对应的最大值位置的波长丸中间是 十分明显的成反比关系。从上面的图( 2 - 2 ) 所示的，公式式( 2 1 4 ) 对应的图 像将会是一条有一定斜率的直线，而且，只要知道公式中的任何一个参数变量就 可以求得另一个参数的值，所以只要知道了九的大小，就可以计算出对应的温 度t 的值的大小。对于如何取得丸的值，我们需要在一个范围的波段内观察辐射 亮度的大小，当观察到最亮的位置时候，就确定了波峰出波长九，但是这样去 获得厶需要进行很多次的测量并进行重复的验证，这样测量的时间会很长，过 程也会很麻烦。 我们通过维恩公式进行数学上的分析了解了辐射能量的波长是如何随温度t 变化的。式( 2 1 3 ) 中，当a r 九r 时，可认为a 丁 l ，式( 2 1 3 ) 可近似 为： m o ( 们) = c l e x p ( 一嘉) ( 2 _ 1 5 ) 还可以得到光谱辐射亮度的维恩表达式为： = c i a , - 5 e x p ( 一嘉) ( 2 1 6 ) 相对于普朗克公式而言，较为简单的维恩公式的使用范围会表较小，它只是 适合温度t 小于3 0 0 0 k 且波段范围在0 4 z m 至0 7 5 p m 之间的前提之下。随着温度 提升并且大于3 0 0 0 k 后，理论与实验结果之间会有很大的差别，并且这个偏差和 温度上升的大小成正比关系。 武汉理t 人学硕i j 学位论文 根据公式( 2 1 6 ) 我们到的了关于双自变量a 和t 的函数，只要我们取得一 个固定的波长，那么允就是一个常数值，那么函数仅仅是关于t 的单变量函数： m o ( a ，t ) = f ( t ) 上式便是比色温度计的理论基础来源之一。 2 5 4 斯忒潘一玻尔兹曼定律 ( 2 - 1 7 ) 斯忒潘一玻尔兹曼定律：温度为t 的绝对黑体，单位面积元在半球方向所发射 的全部波长的辐射出射度与温度t 的四次方成比例： 眠( 丁) = f m 。( a 掀三rc l 【e x p ( 嘉) 一1 】- 烈= 筹r 4 = 砑4 ( z 1 8 ) 式中常数盯= 5 6 6 9 6 1 0 8 w ( m 2 k 4 ) ，称为斯忒潘一玻尔兹曼常数。 公式( 2 - 1 1 ) 和4 2 - 1 3 ) 当中将波长值的大小由卜积分得到的结果是成 比例的。对于公式( 2 1 3 ) ，对波长大小由。到丸进行积分，得到的结果与对于 公式( 2 - 1 1 ) 在同等范围内的积分值的比值大小是1 ：3 。由上面的理论可以得出 将3 0 0 k 看做地球温度，那么波长大于9 7 a m 的红外线的能量占到了四分之三， 这个对波长的确定十分有意义。 绝对黑体的热辐射能民与温度之间的关系约为： e o = 砜4 42 - 1 9 ) 其中瓦是物体的实际辐射温度，也可以说是黑体的表面温度。 我们知道，黑体是一种理想化的物体，我们常常选用的都是灰体，所以对于 公式( 2 - 1 9 ) 需要进行进行一定的修改： e = s 刀4 ( 2 2 0 ) 式中s 就是指的对象的黑度系数，即是我们说的全发射率。 1 5 武汉理t 人学硕l ：学何论文 灰体的全发射率s l ，那么实际温度肯定是会高于测量温度的，那么测量 系统就会有一定的误差存在。我们设温度为t 时由测量对象辐射的总能量e 和相同 波长下黑体在温度瓦时所辐射的总能量相等，于是有： 呱4 = 肿4 ( 2 2 1 ) 则 r ：辜( 2 - 2 2 ) 这里的t 是实际物体的真实温度。 综上可知当物体的黑度系数确定时，可以根据( 2 - 2 0 ) 得出测量温度值大小， 然后再通过黑度系数来对结果进行修正。 表2 - 1 常h j 物质的全发射率 材料温度s ( 丁)材料温度占( 丁) 未加工的铸 9 2 5 1 1 1 50 8 0 9 5抛光的铁4 2 扣1 0 2 0o 1 4 0 3 8 铁 抛光的钢 铁1 0 0 0 - - , 1 4 0 0o 移曲1 33 7 肛1 0 4 0o 5 2 田5 6 铸件 磨光的钢板9 4 0 - - , 1 1 0 0o 5 争m 6 1氧化的钢2 0 - - 6 0 0o 8 氧化铁5 0 0 1 2 0 0o 8 孓m 9 5黄铜2 0 0o 0 3 熔化的铜 1 1 0 0 , - , 1 3 0 0o 1 孓加3氧化铜2 0 m 5 0 00 5 9 , - 0 6 l 钢渣6 0 肛1 2 0 0o 7 d m 7 0钢渣1 4 0 0 , - - 1 8 0 00 6 9 一m 6 7 镍10 0 0 - - - 1 4 0 0 o 0 5 d 加0 6 9镍 2 0 0 - - 4 0 0o 0 7 一曲0 9 氧化镍 6 0 0 l3 0 0 0 5 4 - , 0 8 7氧化镍 2 0 m v 6 0 0o 3 5 4 金1 3 0o 0 1 8银1 0 0 00 0 3 5 镍铬合金 1 2 s 1 0 3 4 0 6 4 , - 0 7 5铂丝2 2 1 3 7 50 0 7 孓一o 1 3 2 铬l o 肛1 0 0 00 0 m 2 6钼6 0 肛1 0 0 00 0 8 - - 0 1 3 镁o 8 6钽1 3 0 肛2 5 0 0o 1 吵加3 0 钨6 0 0 一1 0 0 00 1 o 1 6钨 1 5 0 0 v 3 0 0 00 2 4 , - - 0 “ 1 6 武汉理t 人学硕i j 学何论文 续表2 - 1 生铁 1 3 0 0o 2 9铝2 0 0 6 0 00 1 l o 1 9 抛光的铝5 0 一5 0 00 0 4 一o 0 6氧化铝5 0 5 0 0o 2 0 3 煤 1 1 0 0 1 5 0 0o 5 2硅砖1 0 0 0 1 1 0 0o 8 伊v o 8 5 耐火粘土砖 1 0 0 1 1 0 00 7 5玻璃2 5 肛1 0 0 00 8 7 m 7 2 玻璃1 1 0 1 5 0 0 o 7 0 一o 6 7 2 6 比色法测温原理 2 6 1 基本原理 比色法测温，或者说是双波测温，指的是通过测量两个不同波长在一定带宽 内的辐射功率之比与此状态下黑体温度的函数关系，计算出物体的温度。通过对 波长的选取可以使计算温度无限接近实际温度，这种方法将发射率对测量结果的 影响降到了最低，并且抗干扰能力极强，响应时间短，所以应用前景十分广阔。 图2 4 比色法测温沉程图 若辐射物体温度t 的数值小于3 0 0 0 k ，那么九处于红外波段，只有其中趋于 短波方向的范围内是可见光。设有两个中心波长分别为 和九，波长之间的间 隔分别为 和九的两个滤光片，并所测量的温度范围和所选的波长范围的关 系为 r c 2 ，其中c 2 为第二辐射常数，i = 1 , 2 。测量物体的温度时，电信号的 输出为 波长 ： u s l 嚣c z 鲁e - c 2 r 她 ( 2 2 3 ) 1 7 武汉理t 人学硕i ：学位论文 波长如： 虬：圯如 p - c 2 勉九 由这两个选取不同波长得到的被测量对象的辐射功率比： ( 2 - 2 4 ) 虬。匹u $ 12 乏( 砉) 5 e 印了c 2t 石1 一百1 小瓦a a , ) ( 2 - 2 5 ) 同样我们可以获得黑体温度瓦，与上相同的两个不同波长输出电信号比值： u ，= 邕2c 扣x p 乏t 石1 一石l 小瓦a a ) ，( 2 - 2 6 ) 于是将( 2 2 5 ) 式和( 2 - 2 6 ) 式相等，我们可以得出与r 的关系： 于是 1 1 一i n 占屯一l n s 一=：二：-k 巳c 击一击， 甲一“去一扭 r ：二生当一 以击一去卜驰乏 囊每1 ) t ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) 这样测出的c 即是物体的比色温度。它是测量两个特定的波长 和t 的辐 射功率比，然后以黑体标定确定温度。我们将以上的测温方法叫做比色测温法， 也可以称作为双波测温法。 由公式( 2 - 2 7 ) 得出，当黑度系数气= 气时，t = - - 。我们已经知道，黑体 系数是一个不受波长和温度影响的物理特性，但是要想获得与真实温度即黑体辐 射温度疋最为接近，那么我们必须取得最适恰当的 和t 的大小。 关于丑和t 的选取，我们通常是选择十分接近的两个波长，这样可以减少 1 8 武汉理t 人学硕i j 学位论文 黑度系数对测量造成的误差大小，这个时候我们只需要将比色法测温用黑体进行 标定，那么这个时候比色温度乏与实际的温度丁在数值上几乎是相等的。 2 6 2 两个不同波长信号的产生 比色法测温过程中，需要接受两个不同波长信号进行计算得出测量结果，而 这两个波长信号对测量的准确性有着决定性的影响，如何获取这两个信号尤为重 要。 从获取信号的通道的数量我们可以将其种类分为单通道、双通道甚至多通道 类型。 通道越多成本固然会越高，出于成本考虑，我们将要设计的是单通道比色温 度计，因此重点研究单通道中两个不同波长信号的产生。 1 9 武汉理丁人学硕。i ：学位论文 第三章高温光纤测温仪的研究 关于高温测温计的研究我们将其分为了如下图( 3 - 1 ) 中所示的几个内容进 行研究： v y 至匠 堕垂巫丑 vv ，、 ，、 厂稠 l 电路 l 的设； u y 际箨 l - q 滤i l 波 u 图3 - 1 高温测温计的研究结构图 3 1 光纤及高温材料选择 3 1 1 光纤 ：a d ! 刊 i ：不i ：i i 1l j 光纤是由一种高透明度的材料制成的用来传输光信息的运载体，用于传输光 能、图像等各种信息。光纤将光能封闭在线状的光路中，从一点到另一点的进行 传输，是波道