基于虚拟仪器技术的辐射式光纤测温系统的研究毕业论文.doc

基于虚拟仪器技术的辐射式光纤测温系统的研究毕业论文目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 国内外研究现状31.3 课题研究的意义41.4 课题研究的主要内容6第2章 黑体辐射式光纤测温的机理72.1 概论72.2 热辐射原理82.2.1 黑体辐射换热原理82.2.2 辐射测温的基本原理102.3 辐射测温的基本方法122.3.1 全辐射式温度测量法132.3.2 亮度测温法（单色辐射测温法）132.3.3 双波长辐射测温法（比色测温法）142.3.4 多波长辐射测温法152.4 本章小结16第3章 黑体辐射式光纤测温系统的设计173.1 系统结构设计173.2 黑体腔探头设计与分析173.2.1 概论173.2.2 黑体腔积分发射率模型和计算183.3 接收探头结构193.4 光纤耦合器213.5 窄带干涉滤光片213.5.1 双波长测温中两个波长的选取213.5.2 滤光片参数确定313.6 光电探测器及其转换电路313.6.1 Si-InGaAs光电探测器的结构原理及性能323.6.2 前置放大器343.7 本章小结34第4章 辐射式光纤测温系统实验分析354.1 系统设计354.2 滤光片旋转系统354.3 光电转换电路364.4 信号处理系统374.5 系统软件设计374.6 温度测量实验394.7 本章小结40结论42参考文献44致谢46附录47I第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题研究的背景温度是最基本的物理量之一，它在许多科学领域内有重要作用，热力学、流体力学、物理、化学、冶金等学科中所研究的基本规律都与温度密切相关。在工业生产的许多领域中，温度的检测也是至关重要的，例如发电、塑料和玻璃的生产与成型、冶金等领域，温度的准确测量和控制是生产效率和产品质量的保证1,2。因此科学技术的不断发展对温度测量技术提出了更高的要求，主要表现在：(1)对温度测量技术水平的要求更高。要求测量误差小，分辨率高，测量速度快，测量出温度轮廓和温度区域，测量范围扩大等。(2)对温度测量技术应用范围的扩大。温度测量技术不断扩展到原来无法测量的新对象和不能采用原有方法的环境中的测量。新的测量对象包括：以超高温及极低温为主的极限温度；易被测量影响且热容量小的物体和微小物体；从外部无法进行的内部温度测量，如火焰、钢水、铝液、钢液等温度测量。需要采用新方法测量的环境有传感器、测量仪器易受损坏的腐蚀性环境；高温、低温、高压、高磁场等极限环境；易造成信号干扰的高频电磁场、高振动场等环境等。为了适应发展的需要，科技人员进行了大量的研究，应用各种新材料和新加工技术，采用不同原理和新方法，研制出很多类型的温度传感器和测温系统，针对中、高温测量的传感器主要有：接触式测温的热电偶、热电阻传感器、非接触测温的光学辐射温度仪和光纤温度传感器。热电偶、热电阻传感器的测温技术比较成熟，测温范围广，便于远距离测量且结构简单，因而应用较为广泛。但由于其测量系统的信号输送全为电量，易受外界电磁场的干扰和影响；无法实现多个传感器温度信号的融合和分布式测量；同时，制成传感器的导体是金属，易受腐蚀，故使用寿命受到限制3,4。与此有所区别，光纤传感技术集传感和信息传输于一体，具有灵敏度高、响应速度快、动态范围大、抗电磁干扰、易于实现分布式测量等优点，还适用于远距离遥测。光纤技术已经从通信领域发展到了传感器领域。光纤通信技术已经进入大规模实用化的阶段，传感器技术发展滞后于光纤通信技术的发展，但某些类型的传感器目前也已进入市场。国内目前也有很多大学和研究所，研制出各种各样的光纤传感器。由于其本身具有许多优异特性，光纤传感器在问世后就得到了广泛的研究和应用。在光纤温度传感器方面，已经研制或正在研制中的光导纤维传感器分为两类：一类利用光纤本身具有的某种温度敏感功能而使光纤起温度测量的作用，属于功能型；另一类是光纤仅仅起传输光波的作用，必须在光纤端面或两根光纤中间加装其它温度敏感元件才能构成新型传感器，这种属传输型。传输型光纤传感器的种类非常多，有利用热电阻、热电偶的光电混合型，有光路遮断型，有利用敏感元件的透射率、光强、发光时间、反射率、相位进行检测的透光或发光型传感器，有利用辐射法的光纤探头型传感器。本论文研究的是光纤比色辐射测温系统，光纤在其中主要起接收和传光作用。根据传感头的测温方式，光纤辐射温度计分为接触式和非接触式两种。黑体腔型接触式光纤测温的特点是光纤温度计的探头(黑体腔)要与被测物体良好热接触，使两者达到热平衡。虽然为提高空间分辨率而将探头做得很小，但往往仍会破坏被测物体的热平衡状态，并受到被测物质的腐蚀。所以此法对黑体腔的性能、结构要求很苛刻，而且系统的测温上限取决于探头的耐热特性，但此法测温准确度较高。对于接触式光纤高温计，主要采用蓝宝石光纤作为探头，由于国内生产的这种光纤长度达不到工业应用中的50cm的要求、一致性较差，主要靠国外进口，因此测量系统成本较高是限制其广泛应用的原因之一5-8。由于辐射测温是离开被测物体一定距离来进行测量的，故被称作非接触测量。非接触式测量特点是使光纤温度计不与物体发生接触，而是利用透镜接收物体表面的热辐射。非接触式测温方法不改变被测物体的温度分布，且有热辐射速度快、探测元件热惯性小等优点，从而可以快速测量。从原理上讲，这种方法测温无上限。同时由于传感头不与高温物体接触，不易烧坏，整个系统用光纤进行传感和传输光信号，受电磁干扰少。但是由于受到环境因素影响较大和光纤对传输光强的吸收损耗，导致非接触式测温准确度往往要低于接触法测温系统。因此，辐射测温具有很多接触测温无法实现的优点，但是它也存在许多不足。光学辐射温度仪最主要的缺陷是精度不高，虽然其测温范围广，但是测量精度尚有待得到进一步的提高，而依靠原有的方法是不可行的，必须与新技术、新方法相结合，从整体上达到工业生产的要求。本论文采用接触非接触测量技术，结合两种测温方式的优点，形成了一种新型的传感器探头。1.2 国内外研究现状光纤测温技术是仪器仪表领域重要发展方向之一，光纤测温系统的使用极大地满足了诸多工业应用及科研领域的要求。目前，国内外已经研制的各种光纤温度计有：荧光温度计、半导体光吸收温度计、液体光纤温度计、双金属片温度计、光纤辐射温度计、光纤扫描温度计等。国际上早在七十年代中期就已经开始了对光纤测温系统的研究，在光纤温度传感器的研究方面，国外光纤高温传感器已可探测2000 的温度，其灵敏度达到1 。用于低温范围的光纤温度传感器，可测0.1 的变化。日本松下电器公司已经成功研制出光纤温度计、高精度光纤测温仪（测量精度0.05 ）；日本LEN公司研制的红外光纤温度计等早已成功打入市场；英国Land公司成功研制了红外辐射温度传感器，并配有LANPAEK信息处理器；美国试用中的单晶蓝宝石光纤温度计可测量2000 的高温，其精度比热电偶高10倍；加拿大北方电讯公司生产的以测量转折频率为原理的系列光纤测温仪，也于近年进入市场。与国内同类光纤测温系统相比，国外光纤测温系统的性能较好，已经形成系列产品，但其价格相对较高。我国光纤测温技术的研究起步相对晚一些，但发展也很迅速。很多科研单位相继展开了这方面的研究。近年来在国内兴起的光纤温度测量系统，更是因其优异的抗干扰性能和安全性能而在高压领域独树一帜。北京钢铁学院研制成功的HT-Y3多模光纤温度测量仪有便携式、台式共22种系列产品投放市场，其温度测量范围8001800 ，精度达1%，经20多个钢铁厂在恶劣环境中使用，反映性能稳定可靠；上海市光纤通信工程公司研制的光纤测温报警仪已可小批量生产；武汉理工学院采用接触非接触式的新方法，研制出的光纤高温计在武钢进行了多次试验；清华大学和西安光机所也已研制出高温型光纤测温仪。西安交通大学检测技术及自动化教研室也早在1997年就已开始了光纤温度传感器的研究工作，并取得了可喜的成果。另外，多波长测量方面，哈尔滨工业大学已开始尝试多波长辐射理论的研究与实验；宝钢也研制出SCH-WHBG型智能红外三色测温仪，其测温范围3001800 9,10。纵观我国光纤测温技术的开发现状，光纤温度传感器的研究在理论上已很成熟，但从总体水平而论尚处在产品化阶段。目前国内光纤温度传感器普遍存在工作不稳定的问题，半导体吸收式光纤传感器更是如此，这种强度调制型光纤传感器使用光纤作为传感器的传光媒介，很容易受到其他环境因素的干扰，例如光纤的弯曲。光源的不稳定性是影响强度调制型光纤传感器测量结果最重要的因素，除此之外还有探测器的噪音和温度漂移，以及温度传感头在温度场中形变因素对光信号的影响。围绕这些不稳定因素，国内外都展开了深入的研究，不断研究新的消噪方法，还提出了一些更具稳定性的补偿方法，这些方法对提高大多数光纤测温系统的稳定性有很大帮助。其中针对光路信号补偿方法研究得最多，这种补偿方法对消除光路的不稳定因素最为有效，它已成为解决光纤测温系统稳定性的一条新的出路11。1.3 课题研究的意义在冶金、化工、能源、建材等工业领域中，对温度的准确、迅速的测量有着十分重要的意义。目前大量使用的是以铂、铑等贵金属制造的热电偶，由于其高温下抗腐蚀能力差、寿命短、消耗大、价格高等弊病，影响了正常生产，企业消耗巨大。而且我国缺乏铂、铑金属资源，每年需花费大量外汇购买。此外在许多特殊高温炉中，如高频加热炉、微波加热炉等，由于热电偶的抗电磁干扰能力差，无法用来测量温度。尽管国内外对高温测量技术开展了一系列的研究，但一直未能找到成功的替代方法。例如传统的光纤辐射高温计，由于不能探入被测高温源内部，测量误差大；光纤型强度法测温计的精度差。美国研制成功的蓝宝石光纤高温传感器，其价格昂贵(7000美元/支)，互换性差，只能用于特殊场合，且蓝宝石光纤对于我国禁运，而我国自行研制的蓝宝石光纤因长度太短不能实用12。即使如此，由于工业生产、科学研究与开发和生物学等领域对温度测量设备日益增长的需求，温度测试技术的革新和研究与开发活动从未停止。目前，美国、英国、法国、德国、日本等发达国家对光纤温度测量系统都做了大量的研究，并在不同程度上进入了实用化阶段。在此技术基础上，走在最前列的美国，目前已有多家公司生产工业及军用光纤测温系统。国内清华大学、浙江大学及西安电子科技大学等高校也开展了光纤测温技术方面的研究。例如，清华大学周炳琨等人设计的光纤测温传感器测温范围可达 400-1300，重复性和稳定性可达 0.1%，灵敏度可达 0.1，空间分辨率达几百微米，响应时间为毫秒量级，但是较之国外产品仍有较大的差距。对于温度参数测量的传感器尤其是非接触式的光纤测量系统以其独特的特点被广泛的研究和应用13。另一方面，虽然非接触测量传感头不与高温物体接触，不宜烧坏，则测量范围宽；整个系统用光信号进行传感和传输，受电磁干扰少。但其光学辐射温度系统最主要的缺陷是精度不高，这是由以下几个方面造成的：(1)测量系统是靠经验来选择与被测物体的距离、黑度系数和判断是否瞄准，这样容易产生主观误差。(2)测量场地的粉尘、水蒸气都会影响光的照射，从而带来测量误差。环境温度也易影响传感器，甚至使其不能正常工作。(3)辐射系数对测量系统带来影响。由于物体的辐射能力由辐射系数表示，的大小决定于材料的性质、表面形状、温度和光的波长，的准确度将影响系统的测量精度。采用比色法制成的双色型光纤温度传感器，虽然可以克服环境因素的干扰，但由于光纤中光的能量本身就十分微弱，经过干涉滤光片后，传输的光信号就更加微弱而难以检测，以致影响到测量的准确性。因此，研究一种新型的辐射式光纤测温系统具有重要的意义。针对上述问题，本课题拟立足国内现状，寻找一种经济、可靠、准确且能重复使用的辐射式光纤测温系统，使其从整体上达到工业生产的要求。该课题的研制成功将在冶金、建材、机械、化工等行业的被测体温度的测量与在线控制中有着广泛应用前景，对产品质量保证与控制有重要意义。例如炼钢炉的炉温测量、玻璃熔窑窑口及控制过程中的温度测量，高频焊接的温度在线测量与控制，连铸的温度分布测量，高频加热工件表面温度测量与控制，以及机床导轨高频淬火的温度测量等，都体现出该高温测量仪器的应用价值与前景，尤其在不可视构件内部的温度测量应用中，更显示出光纤作集光和信号传输的独到优势。而且对提高产品质量，减少废品率，节约能源和原材料，降低成本，提高劳动生产率具有显著的经济效益和社会效益。1.4 课题研究的主要内容本课题研究主要完成了一种新型辐射式光纤测温系统的理论研究和设计，这种辐射式光纤测温系统采用接触非接触测量技术与双波长比色测温的方法相结合，克服了目前投入应用的亮度式光纤温度仪易受发射率、周围环境、器件老化、光纤传输光强损耗等因素的影响。针对目前光纤辐射式测温仪的低温测量效果较差，温度测量范围窄的缺陷，提出采用Si和InGaAs倒焊对接的光电探测器和滤光片自动选择系统，有效地扩大了测温范围和测温精度。本论文的主要内容包括：第一章简单介绍了温度测量在工业中的重要性以及光纤测温系统的发展过程和国内外研究现状。介绍了目前国内外温度测量仪的种类，通过对比，重点介绍了接触式测温系统和非接触式测温系统的特点，提出采用接触式与非接触式相结合的比色测温方案。第二章首先介绍了光纤辐射测温的分类，详细分析了黑体辐射换热的基本原理以及双波长光纤辐射测温的基本原理，然后介绍了辐射测温的几种基本方法，其中包括：全辐射式温度测量法，亮度测温法（单色辐射测温法），双波长辐射测温法（比色测温法）以及多波长辐射测温法。第三章详细介绍了黑体辐射式光纤测温系统的各部分组成，对黑体腔探头，接收探头、多模光纤、耦合器、滤光片、光电探测器以及信号处理等各部分性能、结构进行了介绍和讨论。并通过综合考虑影响测量的各种因素，在理论上确定出比色式测温的两波长及带宽，确保了整个系统具有最高的探测精度。第四章对双波段光纤比色辐射测温仪的实验系统进行了详细介绍。对测温系统进行了静态实验，通过与理论上的对比，表明采用比色法测量静态温达到了很好的效果。41 第2章 黑体辐射式光纤测温的机理第2章 黑体辐射式光纤测温的机理2.1 概论任何物体只要其本身及其周围的温度不是绝对零度，物体本身就向周围辐射热量，当它与周围的温度相等时，辐射热过程处于动平衡状态。这是由于物体内部的带电粒子随着温度的升高而被激励放射出不同波长的电磁波，把热能以电磁波方式向外辐射。物体的温度越高，粒子被激励的越强烈，辐射的能量就越大。带电粒子运动频率不同，其电磁波的波谱不同。一般认为，小于0.4 m波长的为紫外线，波长更短的为射线，0.4 m至0.76 m为可见光，大于0.76 m的为红外线，其中0.763 m的为近红外线，36 m的为中红外线，620 m的为中远红外线，201000 m的为远红外线。在温度测量中，通常应用的是可见光区与0.7620 m的红外光区，因为它是载热体，故又称为热射线，光与热射线都可视为电磁波，可见光的特性与规律都适于热射线。光纤辐射温度测量仪可以按照应用的波长特性将其分类。把利用红外波段进行测温的仪表统称为红外测温仪。若仪器只根据某一个特征波段上的辐射而测温，则得到的是物体的亮温度；若仪器根据两个或更多的特征波段上的辐射而测温，则所得到的是物体的色温度；根据所有波长范围内的总辐射而测温，所得到的是物体的全辐射温度14。绝大多数被测物体不是黑体，测温仪测得的辐射能不仅与物体的温度有关，还与发射率有关。此外，物体发射出的辐射能在到达探测器的过程中，还有各种因素造成的损失。因此测温仪接收到的辐射能并不真正是仅由物体表面温度决定的辐射能。无论是亮温度、色温度或者辐射温度，它们都不是物体表面的真实温度，即使经过大气传输因子等修正后，它们与物体表面的真实温度之间仍存在差异。用辐射测温仪直接读取真实温度目前尚存在很多的困难，多数测温仪所能测取的温度依然是亮温度和色温度。所以，本课题的研究目的是得到最接近真实温度的测量方法和系统。2.2 热辐射原理2.2.1 黑体辐射换热原理两黑体面接近时，存在着相互辐射以及物体间的能量交换，如图2-1所示。两个任意布置的黑体表面和组成一个辐射系统，两表面之间的介质对热辐射透明，其面积和温度分别为、和、，、为两个表面的法线方向，、为辐射方向与各自法线方向的夹角，为两表面间的距离，系统中两个表面的辐射能都有一部分到达另一表面，其余部分辐射到系统以外空间。图2-1 任意放置的两黑体的几何关系图2-1中，微元面投射到的辐射能，微元面投射到的辐射能分别可表示为： (2-1) (2-2)式中 黑体表面辐射出射度； 微元立体角，且，代入上式可得： (2-3) (2-4)因此，微元面积和之间的辐射交换能量为 (2-5)由式(2-5)可知，任意放置的两微元黑体表面间的辐射交换能量不仅与两者的温度有关，还与两表面的大小、相互位置以及距离等几何因素有关。因此可应用辐射换热角系数(简称角系数)来表示或计算几何因素的影响，其定义为：从表面1辐射出来到达表面2的能量与表面1辐射出来的全部能量之比称为表面1对表面2的角系数，用符号表示。当表面1的辐射能量全部到达表面2时=1，一般1。按此定义，则上述微元面对的角系数为 (2-6)由于角系数的值与两黑体表面的大小、位置、距离等几何因素相关，所以对于由不同黑体表面组成的辐射换热系统，其角系数存在差异，下面以两同轴平行圆盘为例计算其角系数，如图2-2所示。图2-2 两同轴平行圆盘间的角系数图2-2中，黑体面的半径为，黑体面的半径为，二者之间垂直距离为，在黑体面上取一微元面积，其位置由和确定，在黑体面上取微元面积，其位置由和确定，二者之间连线长度用表示。由式(2-6)可知，所以黑体面和之间的角系数为： (2-7)式中 ； ； ； ；代入式(2-7)得： (2-8)式(2-8)即为两同轴平行圆盘间的角系数表达式。角系数与黑体表面的几何形状有关，因此研究各种形状的黑体表面的角系数，对于合理选择黑体腔结构，提高黑体腔有效发射率和系统测温精度具有重要的意义。常用的黑体空腔结构多为带盖圆筒形腔体、带盖半球圆筒形腔体和带盖圆锥圆筒形腔体。2.2.2 辐射测温的基本原理所有物质，当它受热的时候，均发出一定的热辐射，这种热辐射的量取决于物质的温度及其材料的辐射系数。辐射能力的大小与物体的温度，物体材料的辐射系数有关。所谓“黑体”，就是能够完全吸收入射辐射，并具有最大发射率()的物体。单位面积黑体在半球方向、单位时间的辐射通量(单色辐射度)由普朗克公式给出： (2-9)式中 物体的辐射波长； 物体绝对温度； 、第一与第二辐射常数，它们的值为： ； 。由普朗克定律可以得出不同温度下，光谱辐射出射度随波长变化曲线(普朗克曲线)，如图2-3所示。图2-3 在不同温度下与波长的关系由此曲线我们可以明确的看出黑体的辐射特性：1. 黑体的辐射特性与黑体的绝对温度和波长有关，黑体的辐射亮度与角度无关，同时黑体辐射是非偏振的。2. 光谱辐射出射度随波长先增大后减小，每条曲线只有一个极大值，且峰值波长随着温度的升高而减小，黑体辐射中所包含的短波部分所占的比例增加。3. 各条曲线彼此不相交，因此温度越高，在所有波长上的光谱辐射出射度也越大。因为每条曲线下面包围的面积代表黑体在给定温度下的全辐射出射度，所以，这表明黑体的全辐射出射度随温度升高而迅速增大。4. 每条曲线的峰值所对应的波长叫做峰值波长记为。随着温度的升高，峰值波长减小，黑体辐射中所包含的短波部分所占的比例增加。5. 黑体的辐射特性只与黑体的绝对温度有关。6. 当黑体温度降低时，对应于最大辐射的波长向长波长方向偏移，即移向光谱的红外线范围，这就是维恩位移定律15。通过对普朗克公式进行全波长范围内的积分，可以得到黑体全辐射出射度，称为斯蒂芬玻尔兹曼定律。其表达式为： (2-10)式中 (Wm-2K-4)斯蒂芬玻尔兹曼常数。该式说明黑体全辐射出射度与其绝对温度的四次方成正比，所以又称为四次方定律。一般在工程上把式(2-10)写为： (2-11)式中 =5.67(Wm-2K-4)黑体辐射常数。以上讨论的普朗克定律是表示理想黑体的辐射情况，而在自然界中一般物体的实际表面单色辐射出射度总是比同温度条件下对应波长的黑体单色辐射出射度小，其比值称为单色发射率，。此可以得到物体实际表面单色辐射出射度表达式为： (2-12)一般情况下，是波长和温度的函数，由于通常的热辐射主要在红外区，物体的辐射性质随波长没有太大的变化，所以。由此可得到灰体的普朗克公式为： (2-13)对于实际物体的表面辐射特性，可以近似为灰体的辐射，事实上，在自然界中并不存在灰体，但是这种将实际物体表面的辐射特性假设为灰体的方法大大简化了热辐射的分析和计算，而且在许多情况下不会引起较大误差。2.3 辐射测温的基本方法辐射测温系统的设计原理是普朗克定律，常用的设计方案主要有全辐射式温度测量法、单色辐射式（亮度式）温度测量法、双波长（比色式）温度测量法以及三波长测量法和多波长测量法。下面对这些方法简要的介绍16。2.3.1 全辐射式温度测量法全辐射式温度测量法是根据斯蒂芬-波尔兹曼定律设计的，即通过对普朗克公式进行全波长范围内的积分，可以得到黑体全辐射出射度为 (2-14)式中：(Wm-2K-4)斯蒂芬玻尔兹曼常数。对于实际测量时，由于温度源非绝对黑体，而是灰体，其测量所得全辐射出射度表示为 (2-15)式中：所有波长的实际物体的总发射率。因此，可根据式(2-14)和式(2-15)可知，只要测出全波长总辐射出度，则被测体的温度就可以确定。测量的温度与实际温度的关系式为 (2-16)式中实际物体真实温度(K)；实际物体的辐射温度(K)。式(2-16)即为全辐射式温度测量法的温度测量模型。由此可知，该方法的测量准确性在于实际物体的总发射率的标定，在已知条件下，根据上式可以通过测量实际物体的辐射温度计算出实际温度。但是，在实际应用情况中，全辐射率往往是不可知的，而且对于不同的物体，其全辐射率的差异很大。在已知条件下，可以通过测量实际物体的辐射温度计算出实际温度。因此，在几种测温方法中，对于相同的温度，辐射温度对实际温度的偏离比其它几种方法大很多，在精密测量中较少使用。2.3.2 亮度测温法（单色辐射测温法）亮度测温法是根据灰体的单色辐射出射度原理设计的。当实际物体(灰体)在某一波段下的单色辐射出射度同绝对黑体在同一波长下的单色辐射出射度相等时，则该黑体的温度称为实际物体的亮度温度，表达式为： (2-17)式中 单色发射率； 实际物体单色辐射出射度； 测量的单色辐射出射度。在常用的温度与波长范围内，式(3-4)可以用维恩公式表示为 (2-18)式中 测得的亮度温度；真实温度；第二辐射常数。由式(2-18)可知，亮度测温法的准确性在于所选波长的单色发射率，若已知波长为的单色发射率和测得的亮度温度后，就可以通过上式求出实际物体的真实温度。但是在实际测量中，由于，则，所以物体的亮度温度。而且物体的单色发射率越小，亮度温度与真实温度之间的差距越大。亮度测温法，由于其灵敏度较高，而且结构简单，是目前应用较广泛的辐射测温方法，但是温度源的单色发射率的值决定于材料的性质、表面形状、测量距离、测量温度以及所选光的波长，因此，在实际应用中很难精确得到的值，以此影响到实际测温的精度。2.3.3 双波长辐射测温法（比色测温法）双波长辐射测温法是根据物体在两个相邻波长下的单色辐射出射度之比来确定物体温度的。根据普朗克公式，在3000K，并且较小(m)时，有维恩近似成立： (2-19)分别取波长和处辐射功率的比值，可得 (2-20)假设两波长处的带宽相等可得 (2-21)双波长辐射测温法是根据式(2-21)假设时，可测得比色温度为 (2-22)实际上物体的，故真实温度与比色温度的误差为 (2-23)对于双波长辐射测温法，影响其测量准确性的主要因素是与是否相等。一般的对于纯金属表面，随波长的增加而减小，即当时，有，此时，所测得温度偏高；对于金属氧化物及非金属材料，随波长的增加而升高，即时，有，此时，所测得温度偏低；对于黑体或灰体，为常数，即，此时。双波长辐射测温法较前两种方案测温精度高，抗干扰能力强，但是其设计结构复杂。2.3.4 多波长辐射测温法近年来，国内外研究者竞相研究多波长辐射测温技术，主要用以解决高温及超高温目标真实温度及热物性的动态测量。多波长辐射测温法是利用多个波长下的物体辐射亮度测量信息，经过数据处理得到物体真实温度及光谱发射率，其实质是在亮度测温法的基础上，开发的一种多通道亮度测温系统。多波长辐射测温法的数学模型的建立方法大致有3种，即：1. 基于检定常数的数学模型；2.基于亮度温度的数学模型；3.基于参考温度的数学模型。一般采用第2和3种方法。对于多波长辐射测温系统，若有个通道，则第个通道测得的亮温与目标真温的关系为 (2-24) 式(2-24)中存在两个未知量，即目标真温和波长的单色发射率，所以个通道建立的方程，但有+1个未知量。因此，多波长辐射测温法无法直接得到目标真温。为了解决这个问题，可以事先对温度源不同波长和温度下的单色发射率进行标定，但是，标定过程不仅很费时间，而且又等于增加了一次误差积累过程，同时各测量通道单色发射率标定的准确与否也会直接影响目标真温结果。除此方法外，许多学者倾向于用最小二乘法对多波长辐射温度计的测量数据进行数据处理，这必须要假设发射率与波长之间的函数关系，其中常用的假设模型有： (2-25) (2-26) (2-27) (2-28) (2-29)当假设模型与实际情况相符时，通过计算得到的物体真实温度及波长发射率与实际情况符合得很好；当二者不一致时，通过计算得到的物体真实温度及波长发射率则与实际情况差别很大。这种方法的关键问题在于对某种未知材料进行测量之前，并不知道此种材料的发射率与波长符合哪种函数关系，因此在对测量数据进行数据处理时，任何发射率与波长的假设模型的选取都是盲目的。在此基础上，也有应用神经网络的方法进行发射率的建模，但也只在限制在实验室研究。总之，对于多波长辐射测温法，各测量通道的亮温方程的准确与否会直接影响目标真温和光谱发射率的计算结果。2.4 本章小结本章首先介绍了黑体辐射换热原理，这对进一步研究黑体腔有效发射率和系统测温精度具有重要的意义；其次通过介绍黑体的普朗克定律，给出了黑体的辐射特性并详细分析了辐射测温的几种方法，其中包括：全辐射式温度测量法，亮度测温法（单色辐射测温法），双波长辐射测温法（比色测温法）以及多波长辐射测温法。第3章 黑体辐射式光纤测温系统的设计第3章 黑体辐射式光纤测温系统的设计3.1 系统结构设计为了提高温度测量的准确性和真实性，本课题所设计的黑体辐射式光纤测温系统采用黑体探头结合双波长比色辐射测温系统的结构，如图3-1所示。图3-1 辐射式光纤测温系统框图此黑体辐射式光纤测温系统采用接触非接触测量技术，主要由黑体腔探头、接收探头、光纤耦合器、滤光片、光电探测器、放大电路和信号处理等部分构成。被测温度源表面发出的辐射能，耐高温的黑体腔探头经实验室标定后，作为标准的辐射源，直接与被测温度源接触，黑体腔受热发出的黑体辐射通过一个密闭空间传递到不与温度源直接接触的接收探头，接收探头由透镜组和光纤准直器构成，经透镜聚焦到探头的光纤断面上，经光纤(310m)传输至1：2耦合器，再经光纤传输到两窄带滤光片处，并经两个光电探测器分别把两路光信号变成电压信号，通过电缆传输至二次仪表中的放大器，两个电压信号范围都在010伏之间，用键盘控制使两信号经多路转换开关输入计算机进行处理，最终得到测温结果。实际测温时，探头、光纤和光电探测器在测温现场，信号处理部分的计算机与前者之间用电缆连接。下面对各个部分作详细的介绍。3.2 黑体腔探头设计与分析3.2.1 概论根据所设计的黑体辐射式光纤测温系统的工作原理可知，其测温准确度主要取决于传感器所形成的实际黑体空腔的积分发射率。由于黑体表面辐射换热的影响，黑体腔表面各点的有效发射率已不是初始的黑体材料的发射率。且受传感器几何结构特点、温度分布、材料发射率、腔口与探测器之间的距离以及腔外环境温度等因素的影响，复合测温传感器所形成的实际黑体空腔难以满足理想黑体空腔的“密闭性”和“等温性”，其积分发射率必然小于1，并具有较大的不确定性。因此建立实际黑体空腔的不等温积分发射率的数学模型，并研究温度分布、传感器几何特性(长径比和传感器开口大小等)、材料发射率、腔口与探测器之间的距离和环境温度对积分发射率的影响，对于黑体空腔的优化设计和提高系统的准确度具有重要的意义。常用的黑体空腔结构多为带盖圆筒形腔体、带盖半球圆筒形腔体和带盖圆锥圆筒形腔体，其积分发射率的研究方法相同。此处辐射式光线测温系统的黑体空腔结构设计为带盖圆筒形腔体。下面对该圆筒形腔体的模型进行分析。3.2.2 黑体腔积分发射率模型和计算黑体腔积分发射率被定义为从黑体腔内壁发出并投射到腔外探测器接收面的实际辐射能与处在腔体参考温度下壁面为理想黑体时投射到该探测器接受面的辐射能的比值，它是将腔体与腔外探测器联系起来表达腔体辐射特性的一个重要的参数，也是设计辐射温度传感器的重要参数。以圆柱形黑体腔为例进行说明，如图3-2所示。图3-2圆柱形黑体腔与探测器示意图图中，、分别为黑体腔腔底、侧壁和盖面的坐标轴；为圆筒部分轴线长度；为圆筒半径；为开孔半径；为探测器半径；为探测器到腔口的距离。对于图3-2所示圆柱形黑体腔，其积分发射率的表示式为： (3-1)式中 腔体积分发射率； 腔体内各点有效发射率； 、腔体底面处、壁面处和盖面处的微元环面积； 处微元环对探测器接收面的角系数； 处微元环对探测器接收面的角系数； 处微元环对探测器接收面的角系数。由式(3-1)可知，欲求腔体积分发射率，必须先确定黑体空腔内的有效发射率分布。有效发射率的计算方法可分为积分方程法、多重反射法和蒙特卡洛法。本文采用积分方程法，它的基本原理是：漫发射和漫反射的黑体空腔内壁各点的有效半球辐射等于该点处面元本身的半球辐射加上空腔内其它壁面投射到该面元上的反射辐射。其基本假定条件是腔体壁面为漫发射和漫反射体，实际上并不存在理想的漫射材料，但构成黑体空腔壁面的许多工程材料都是漫射体的近似体。腔体有效发射率定义为： (3-2)式中，为有效辐射出射度，为黑体腔参考温度为时的黑体辐射出射度。由此可得，圆筒壁的有效发射率，靶底的有效发射率，腔盖的有效发射率，由此可分析黑体腔的几何结构特点(长径比，开口大小）、温度分布、材料发射率以及腔外环境温度等因素对有效发射率的影响，从而确定黑体空腔设计的最优参数。3.3 接收探头结构光纤接收探头的主要作用是完成黑体腔辐射光的收集，其结构如图3-3所示。接收探头主要由铝合金风冷套筒、光纤固定装置、耦合透镜组、光纤准直器等组成。由于探头处于高温测量现场，因此要求其具有风冷或水冷系统17。图3-3 接收探头结构接收探头的光耦合效率是保证系统可靠性与精度的主要因素。黑体腔传感器的辐射光，由透镜组进行聚焦、准直产生一定直径的平行光，经光纤准直器耦合入普通石英光纤。光纤准直器由格林透镜与光纤组合构成，主要用于将光耦合进/出其它光学器件，它是其它器件光纤耦合封装的理想器件。但是，不是所有直径的平行光都可以耦合入光纤，必须满足一定的光束直径，其耦合光路，如图3-4所示。图3-4 光纤准直器原理由图3-4可知，耦合入光纤的准直光束直径和发散角必须满足 (3-3) (3-4)式中 光束直径； 光纤的纤芯直径； 透镜的焦距； 发散角度； 光纤的数值孔径。3.4 光纤耦合器在早期的研究阶段，为了成功地开发全光纤干涉性传感器，常需要这样一种器件：它能够在光纤之间传输光信号以完成类似于普通分光镜的功能。光纤耦合器就是这样的器件，其结构如图3-5所示。图3-5 光纤耦合器结构它是四端口器件，可以将从入射端输入的光信号理想地分配到两个通道之中，即直通臂B和耦合臂C。描述耦合器特性的基本参数是分光比或耦合比，即耦合进直通臂B或耦合臂C的光强与输出端口总光强的比值。在双波长光纤测温仪系统中使用的是多模光纤耦合器，这种耦合器具有全光纤结构，可以与光路系统其它器件通过多模光纤直接相连，对光信号进行分流与合流十分方便。这种全光纤耦合器已经成为光纤传感器中的重要光器件，下面将介绍多模光纤耦合器的原理。3.5 窄带干涉滤光片 3.5.1 双波长测温中两个波长的选取由于本系统采用Si-InGaAs集成封装的光电探测器，Si探测器探测范围1073 K到2273 K，InGaAs探测器探测范围573 K到1073 K，所以在这两个温区分别要计算出两个波段进行比色测温。下面以1073 K到2273 K为例说明两波长的选取过程。由于滤光片有一定带宽，并非单一波长，那么就应是两个波段上辐射功率之比，先不考虑滤光片的透过率及光电探测器的响应与波长的关系，即有： (3-5)式中，、以及、分别为两个测量点处的波长和带宽。这里我们假设滤光片的透过率和光电探测器的光谱响应在上述带宽内为常数，而比值相抵消，与无关。由此而产生的误差将在本节后面进行修正。由式(3-5)可知，比值与温度存在着非常复杂的数学关系，并且与参数、均有关。选择合适的参数，对于提高测温精度非常重要。本论文从测温范围、单值性、灵敏度、相对灵敏度以及线性度等方面研究与各参数的关系，并根据测温的实际情况来选取合适的参数（参数优化）。这里为了便于研究，对式(3-5)简化计算，可设，其中为两波长间隔，为带宽。计算式(3-5)中的积分，可使用积分梯形面积近似公式： (3-6)式中，为点数， 。分别代入，以及，并令，再代入的表达式即可求出。(1)的选取如图3-6绘出了当 m， m时，两个波长辐射功率之比与温度的关系，图中的各条曲线对应了不同的参数。图3-6中，在较低温度段（1073 K以下），曲线9有很好的分辨力，而对于1073 K2273 K，这条曲线的分辨力大为下降，应选择曲线48，对应在0.61.2 m范围内。表示测温曲线对温度的分辨力，可以采用灵敏度的概念。定义灵敏度S为温度变化1 K时的变化量，即，如图3-7是灵敏度曲线，其中为参数， m， m。图3-6 曲线(m，m)图3-7 曲线(m，m)图3-7中，在较低温度段，取较长波长时，曲线的灵敏度较高；对于高温段，则取较短波长时，曲线的灵敏度较高。实际采集数据所用的A/D转换器是12位芯片，其分辨率为1/4096，相应精度为0.024%。对于1073 K2273 K，变化范围是01，则最小有效分辨值为0.00024。要求测温精度1 K，即有效地分辨出1 K，那么曲线的灵敏度S不应低于0.00024/ K。考虑到实际的噪声干扰及误差因素，灵敏度S不应小于0.0003/ K。于是我们可在图上的地方作一条水平线，易知在1073 K2273 K范围内，只有曲线6、7、8和9满足要求，对应分别为0.8 m、0.9 m、1.0 m和1.2 m。这样就可以得知，在要求的测温范围内，对于 m， m时，的取值范围应在0.8 m至1.2 m之间。为进一步比较，我们引入相对灵敏度Sr的概念，相对灵敏度定义为： (3-7)上式中取1 K，对应分别为0.8 m和1.0 m绘制相对灵敏度曲线，如图3-8。在图3-8中，曲线1（对应=0.8 m）的相对灵敏度较高，曲线2（对应=1.0 m）的相对灵敏度较低。由此可知，对于 m，取值在0.8 m附近较好。图3-8 测温的相对灵敏度(m，m)对于 m、 m，其余参数与前面相同，我们可以得到关系，如图3-9所示。图3-9 曲线(m，m)在图3-9中，曲线1、7、8、9的动态范围较窄，而曲线2、3的动态范围虽然较宽，但是其线性较差。比较好的曲线是4、5、6，其动态范围和线性都符合要求，对应取值范围是0.60.8 m。考虑图3-10中灵敏度曲线，按照前面灵敏度S不低于0.00024/ K的要求，曲线4、5、6是可取的。若要求灵敏度不低于0.0003/ K，则只有曲线5满足要求，此时对应取值0.7 m。图3-10 灵敏度曲线(m，m)图3-11是=0.7 m和=0.8 m相对灵敏度的比较。对应于=0.7 m的曲线灵敏度较高，但两条曲线非常接近，在1073 K2273 K范围内相差不超过0.5。综上所述，对于 m，应选择在0.8 m附近；当m，应选择在0.70.8 m，温度在1073 K2273 K时可偏向0.8 m。图3-11 相对灵敏度曲线(m，m)图3-12 不同温度下曲线(m，m)以为自变量，为参变量，取 m，作曲线，如图3-12。图中各曲线的间隔均匀性对应了图3-7中曲线的线性。在较短波长处间隔均匀，但温度分辨率低（间隔小），在较长波长处，正好相反。通过对曲线灵敏度、相对灵敏度、线性等因素加以研究，已经得出了的取值范围，考虑到实际购买的Si-InGaAs光电探测器的光谱响应，我们选择在0.8 m附近。(2)的选取在测温原理一节，曾假定两个波长处的发射率相同（灰体条件），应用比色法原理，将两个波长的辐射功率进行相比，由此可以得到关系曲线。由于光纤传输过程中的衰减，光源辐射功率不稳定及环境温度不稳定，光电探测器接收到的光功率存在很大的误差，采用功率比值法可以很好的消除这些误差18。但是实际的物体为选择性吸收体，各波长处的发射率并不相同，如果选择的与比较接近，滤光片的带宽比较窄仍可认为与相等。图3-13 曲线(m，m)取=0.8 m，以为自变量，为参变量，关系曲线如图3-13。图中， m时，的动态范围较窄，而且线性较差；当 m时，低温段的线性较差，而且随着的增大各曲线相差很小。由此可知，应该取0.1 m 0.2 m。在1073K2273K温度范围内，给定=0.8 m，以为自变量，为参变量，灵敏度关系绘于图3-14。在满足灵敏度S不小于0.0003/ K的条件下，由图可见，应取0.93 m1.0 m，对应的范围是0.13 m0.2 m。这个区间的两端存在着这样的差别：如果要得到较好的低温段特性或者说在1073 K以下扩展特性，应选择靠近0.93 m；如果要得到1500 K3000 K范围更好的特性，则应选择靠近1.0 m。实际上，多数场合下一般要求的是前者。也就是说，在保证1073K2273K足够精度的同时，希望能得到较准确的中温段573 K1073 K(300800)范围内的温度。我们实际选择的两个波长分别为0.78 m和0.93 m，用同样的方法可选择中温段573 K1073 K的两个波长分别为1.3 m和1.45 m，其间隔 m。图3-14 不同温度下灵敏度关系(m，m)(3)的选取下面考虑两个波长带宽，即的选取。如图3-15(a)是关系曲线，为参变量。对于从0.01 m到0.07 m变动，对曲线的影响并不大。在1000 K3000 K范围内，各曲线基本平行。图3-15(b)是灵敏度曲线，差别也不大。的选择也是比较重要的，这里主要考虑的则是后面的光电探测器。必须考虑探测器的两项指标，一是其光谱响应度，二