新型高精度双波长光纤高温计的研究

　　光纤高温计较其它测温仪具有测量精度高、抗电磁干扰、体积小、便于遥测等优点,可应用于易燃易爆、空间狭小、直接瞄准有困难的场合,因而受到了广泛的重视.我们提出的双波长光纤高温计可以有效地减小被测物体发射率变化、环境干扰、器件老化等因素带来的误差[1-3].系统的最佳设计和误差修正是测温精度的重要保证[4].系统设计主要考虑的是选择两个工作波长及其带宽.我们在要求的测温范围内,从测温曲线的动态范围、灵敏度、相对灵敏度、线性以及探测器光谱响应等方面综合考虑,采用数值计算的办法确定出两个波长λ1和λ2的取值范围.另外,为便于此法的实际应用,我们设计了相应的算法,在输入了测温范围和精度要求后,由微机确定出两波长的选择范围,同时也判明了是否存在满足使用者精度要求的工作波长λ1和λ2.然而双波长光纤高温计的测量精度会受其结构、安装以及周围环境的影响.探测器接收的信号中既有被测物体的温度信号,又有周围环境的温度信号.研究表明,双波长方法较单波长法可以有效地抑制周围环境的影响.本文将从实际使用情况出发,研究各环节可能产生的误差及克服办法.

　　此系统应用于高炉测温及钢轨正火、淬火控温,证明了本文所提出的设计方案和误差修正方法对于提高测温精度是行之有效的,对于光纤高温计的实际应用具有重要的指导意义.

　　1　双波长光纤高温计的结构与测温的基本原理

　　我们提出的非接触式双波长光纤温度传感结构如图1所示,宝石透镜收集被测物体的热辐射,其焦点位于光纤端面上,两者的数值孔径相匹配.辐射光沿多模光纤传输,由定向耦合器分为两路,经不同透过谱的滤光片形成两路探测信号.双波长法就是利用不同工作波长的两路信号比值与温度的单值关系来确定物体温度.在宝石透镜与传输光纤之间插入斩波器,再交流放大滤波,以提高信噪比和测量精度.在传输光纤的末端加入扰模器,就是把光纤绕在直径2~3cm的圆环上3~5圈,可以部分消除因光纤弯曲、扭转等不定因素所带来的随机传输损耗,提高系统的稳定性.

　　实验证明,这一新的结构对于消除测温的偶然误差十分有效.两路信号比值由下式给出:

（1）

　　其中λ₁、δλ₁以及λ₂、δλ₂分别为两个测量点处的波长和带宽;D₁(λ)、D₂(λ)为滤光片的透过率;K₁(λ)、K₂(λ)为光电探测器的光谱响应;M(λ、T)为单位面积物体在半球方向、单位时间的辐射通量(单色辐射度),由普朗克公式给出。