【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，本課題所設(shè)計(jì)的黑體輻射式光纖測(cè)溫系統(tǒng)采用黑體探頭結(jié)合雙波長(zhǎng)比色輻射測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖31所示。圖31 輻射式光纖測(cè)溫系統(tǒng)框圖此黑體輻射式光纖測(cè)溫系統(tǒng)采用接觸—非接觸測(cè)量技術(shù)，主要由黑體腔探頭、接收探頭、光纖耦合器、濾光片、光電探測(cè)器、放大電路和信號(hào)處理等部分構(gòu)成。被測(cè)溫度源表面發(fā)出的輻射能，耐高溫的黑體腔探頭經(jīng)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定后，作為標(biāo)準(zhǔn)的輻射源，直接與被測(cè)溫度源接觸，黑體腔受熱發(fā)出的黑體輻射通過一個(gè)密閉空間傳遞到不與溫度源直接接觸的接收探頭，接收探頭由透鏡組和光纖準(zhǔn)直器構(gòu)成，經(jīng)透鏡聚焦到探頭的光纖斷面上，經(jīng)光纖(3～10m)傳輸至1：2耦合器，再經(jīng)光纖傳輸?shù)絻烧瓗V光片處，并經(jīng)兩個(gè)光電探測(cè)器分別把兩路光信號(hào)變成電壓信號(hào)，通過電纜傳輸至二次儀表中的放大器，兩個(gè)電壓信號(hào)范圍都在0～10伏之間，用鍵盤控制使兩信號(hào)經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，最終得到測(cè)溫結(jié)果。實(shí)際測(cè)溫時(shí)，探頭、光纖和光電探測(cè)器在測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)，信號(hào)處理部分的計(jì)算機(jī)與前者之間用電纜連接。下面對(duì)各個(gè)部分作詳細(xì)的介紹。 黑體腔探頭設(shè)計(jì)與分析 概論根據(jù)所設(shè)計(jì)的黑體輻射式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的工作原理可知，其測(cè)溫準(zhǔn)確度主要取決于傳感器所形成的實(shí)際黑體空腔的積分發(fā)射率。由于黑體表面輻射換熱的影響，黑體腔表面各點(diǎn)的有效發(fā)射率已不是初始的黑體材料的發(fā)射率。且受傳感器幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、溫度分布、材料發(fā)射率、腔口與探測(cè)器之間的距離以及腔外環(huán)境溫度等因素的影響，復(fù)合測(cè)溫傳感器所形成的實(shí)際黑體空腔難以滿足理想黑體空腔的“密閉性”和“等溫性”，其積分發(fā)射率必然小于1，并具有較大的不確定性。因此建立實(shí)際黑體空腔的不等溫積分發(fā)射率的數(shù)學(xué)模型，并研究溫度分布、傳感器幾何特性(長(zhǎng)徑比和傳感器開口大小等)、材料發(fā)射率、腔口與探測(cè)器之間的距離和環(huán)境溫度對(duì)積分發(fā)射率的影響，對(duì)于黑體空腔的優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度具有重要的意義。常用的黑體空腔結(jié)構(gòu)多為帶蓋圓筒形腔體、帶蓋半球—圓筒形腔體和帶蓋圓錐—圓筒形腔體，其積分發(fā)射率的研究方法相同。此處輻射式光線測(cè)溫系統(tǒng)的黑體空腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為帶蓋圓筒形腔體。下面對(duì)該圓筒形腔體的模型進(jìn)行分析。 黑體腔積分發(fā)射率模型和計(jì)算黑體腔積分發(fā)射率被定義為從黑體腔內(nèi)壁發(fā)出并投射到腔外探測(cè)器接收面的實(shí)際輻射能與處在腔體參考溫度下壁面為理想黑體時(shí)投射到該探測(cè)器接受面的輻射能的比值，它是將腔體與腔外探測(cè)器聯(lián)系起來(lái)表達(dá)腔體輻射特性的一個(gè)重要的參數(shù)，也是設(shè)計(jì)輻射溫度傳感器的重要參數(shù)。以圓柱形黑體腔為例進(jìn)行說明，如圖32所示。圖32圓柱形黑體腔與探測(cè)器示意圖圖中，、分別為黑體腔腔底、側(cè)壁和蓋面的坐標(biāo)軸；為圓筒部分軸線長(zhǎng)度；為圓筒半徑；為開孔半徑；為探測(cè)器半徑；為探測(cè)器到腔口的距離。對(duì)于圖32所示圓柱形黑體腔，其積分發(fā)射率的表示式為： (31)式中 ——腔體積分發(fā)射率； ——腔體內(nèi)各點(diǎn)有效發(fā)射率； 、——腔體底面處、壁面處和蓋面處的微元環(huán)面積； ——處微元環(huán)對(duì)探測(cè)器接收面的角系數(shù)； ——處微元環(huán)對(duì)探測(cè)器接收面的角系數(shù)； ——處微元環(huán)對(duì)探測(cè)器接收面的角系數(shù)。由式(31)可知，欲求腔體積分發(fā)射率，必須先確定黑體空腔內(nèi)的有效發(fā)射率分布。有效發(fā)射率的計(jì)算方法可分為積分方程法、多重反射法和蒙特卡洛法。本文采用積分方程法，它的基本原理是：漫發(fā)射和漫反射的黑體空腔內(nèi)壁各點(diǎn)的有效半球輻射等于該點(diǎn)處面元本身的半球輻射加上空腔內(nèi)其它壁面投射到該面元上的反射輻射。其基本假定條件是腔體壁面為漫發(fā)射和漫反射體，實(shí)際上并不存在理想的漫射材料，但構(gòu)成黑體空腔壁面的許多工程材料都是漫射體的近似體。腔體有效發(fā)射率定義為： (32)式中，為有效輻射出射度，為黑體腔參考溫度為時(shí)的黑體輻射出射度。由此可得，圓筒壁的有效發(fā)射率，靶底的有效發(fā)射率，腔蓋的有效發(fā)射率，由此可分析黑體腔的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(長(zhǎng)徑比，開口大?。?、溫度分布、材料發(fā)射率以及腔外環(huán)境溫度等因素對(duì)有效發(fā)射率的影響，從而確定黑體空腔設(shè)計(jì)的最優(yōu)參數(shù)。 接收探頭結(jié)構(gòu)光纖接收探頭的主要作用是完成黑體腔輻射光的收集，其結(jié)構(gòu)如圖33所示。接收探頭主要由鋁合金風(fēng)冷套筒、光纖固定裝置、耦合透鏡組、光纖準(zhǔn)直器等組成。由于探頭處于高溫測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，因此要求其具有風(fēng)冷或水冷系統(tǒng)[17]。圖33 接收探頭結(jié)構(gòu)接收探頭的光耦合效率是保證系統(tǒng)可靠性與精度的主要因素。黑體腔傳感器的輻射光，由透鏡組進(jìn)行聚焦、準(zhǔn)直產(chǎn)生一定直徑的平行光，經(jīng)光纖準(zhǔn)直器耦合入普通石英光纖。光纖準(zhǔn)直器由格林透鏡與光纖組合構(gòu)成，主要用于將光耦合進(jìn)/出其它光學(xué)器件，它是其它器件光纖耦合封裝的理想器件。但是，不是所有直徑的平行光都可以耦合入光纖，必須滿足一定的光束直徑，其耦合光路，如圖34所示。圖34 光纖準(zhǔn)直器原理由圖34可知，耦合入光纖的準(zhǔn)直光束直徑和發(fā)散角必須滿足 (33) (34)式中 ——光束直徑； ——光纖的纖芯直徑； ——透鏡的焦距； ——發(fā)散角度； ——光纖的數(shù)值孔徑。 光纖耦合器在早期的研究階段，為了成功地開發(fā)全光纖干涉性傳感器，常需要這樣一種器件：它能夠在光纖之間傳輸光信號(hào)以完成類似于普通分光鏡的功能。光纖耦合器就是這樣的器件，其結(jié)構(gòu)如圖35所示。圖35 光纖耦合器結(jié)構(gòu)它是四端口器件，可以將從入射端輸入的光信號(hào)理想地分配到兩個(gè)通道之中，即直通臂B和耦合臂C。描述耦合器特性的基本參數(shù)是分光比或耦合比，即耦合進(jìn)直通臂B或耦合臂C的光強(qiáng)與輸出端口總光強(qiáng)的比值。在雙波長(zhǎng)光纖測(cè)溫儀系統(tǒng)中使用的是多模光纖耦合器，這種耦合器具有全光纖結(jié)構(gòu)，可以與光路系統(tǒng)其它器件通過多模光纖直接相連，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行分流與合流十分方便。這種全光纖耦合器已經(jīng)成為光纖傳感器中的重要光器件，下面將介紹多模光纖耦合器的原理。 窄帶干涉濾光片 雙波長(zhǎng)測(cè)溫中兩個(gè)波長(zhǎng)的選取由于本系統(tǒng)采用SiInGaAs集成封裝的光電探測(cè)器，Si探測(cè)器探測(cè)范圍1073 K到2273 K，InGaAs探測(cè)器探測(cè)范圍573 K到1073 K，所以在這兩個(gè)溫區(qū)分別要計(jì)算出兩個(gè)波段進(jìn)行比色測(cè)溫。下面以1073 K到2273 K為例說明兩波長(zhǎng)的選取過程。由于濾光片有一定帶寬，并非單一波長(zhǎng)，那么就應(yīng)是兩個(gè)波段上輻射功率之比，先不考慮濾光片的透過率及光電探測(cè)器的響應(yīng)與波長(zhǎng)的關(guān)系，即有： (35)式中，、以及、分別為兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)處的波長(zhǎng)和帶寬。這里我們假設(shè)濾光片的透過率和光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)在上述帶寬內(nèi)為常數(shù)，而比值相抵消，與無(wú)關(guān)。由此而產(chǎn)生的誤差將在本節(jié)后面進(jìn)行修正。由式(35)可知，比值與溫度存在著非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)關(guān)系，并且與參數(shù)、均有關(guān)。選擇合適的參數(shù)，對(duì)于提高測(cè)溫精度非常重要。本論文從測(cè)溫范圍、單值性、靈敏度、相對(duì)靈敏度以及線性度等方面研究與各參數(shù)的關(guān)系，并根據(jù)測(cè)溫的實(shí)際情況來(lái)選取合適的參數(shù)（參數(shù)優(yōu)化）。這里為了便于研究，對(duì)式(35)簡(jiǎn)化計(jì)算，可設(shè)，其中為兩波長(zhǎng)間隔，為帶寬。計(jì)算式(35)中的積分，可使用積分梯形面積近似公式： (36)式中，為點(diǎn)數(shù)， 。分別代入，以及，并令，再代入的表達(dá)式即可求出。(1)的選取如圖36繪出了當(dāng) μm， μm時(shí)，兩個(gè)波長(zhǎng)輻射功率之比與溫度的關(guān)系，圖中的各條曲線對(duì)應(yīng)了不同的參數(shù)。圖36中，在較低溫度段（1073 K以下），曲線9有很好的分辨力，而對(duì)于1073 K~2273 K，這條曲線的分辨力大為下降，應(yīng)選擇曲線4~8，~ μm范圍內(nèi)。表示測(cè)溫曲線對(duì)溫度的分辨力，可以采用靈敏度的概念。定義靈敏度S為溫度變化1 K時(shí)的變化量，即，如圖37是靈敏度曲線，其中為參數(shù)， μm， μm。圖36 曲線(μm，μm)圖37 曲線(μm，μm)圖37中，在較低溫度段，取較長(zhǎng)波長(zhǎng)時(shí)，曲線的靈敏度較高；對(duì)于高溫段，則取較短波長(zhǎng)時(shí)，曲線的靈敏度較高。實(shí)際采集數(shù)據(jù)所用的A/D轉(zhuǎn)換器是12位芯片，其分辨率為1/4096，%。對(duì)于1073 K~2273 K，變化范圍是0~1。要求測(cè)溫精度1 K，即有效地分辨出1 K?？紤]到實(shí)際的噪聲干擾及誤差因素。于是我們可在圖上的地方作一條水平線，易知在1073 K~2273 K范圍內(nèi)，只有曲線8和9滿足要求， μm、 μm、 μm。這樣就可以得知，在要求的測(cè)溫范圍內(nèi)，對(duì)于 μm， μm時(shí)， μm之間。為進(jìn)一步比較，我們引入相對(duì)靈敏度Sr的概念，相對(duì)靈敏度定義為： (37)上式中取1 K， μm繪制相對(duì)靈敏度曲線，如圖38。在圖38中，曲線1（對(duì)應(yīng)= μm）的相對(duì)靈敏度較高，曲線2（對(duì)應(yīng)= μm）的相對(duì)靈敏度較低。由此可知，對(duì)于 μm， μm附近較好。圖38 測(cè)溫的相對(duì)靈敏度(μm，μm)對(duì)于 μm、 μm，其余參數(shù)與前面相同，我們可以得到關(guān)系，如圖39所示。圖39 曲線(μm，μm)在圖39中，曲線9的動(dòng)態(tài)范圍較窄，而曲線3的動(dòng)態(tài)范圍雖然較寬，但是其線性較差。比較好的曲線是6，其動(dòng)態(tài)范圍和線性都符合要求，~ μm?？紤]圖310中靈敏度曲線，曲線6是可取的。，則只有曲線5滿足要求， μm。圖310 靈敏度曲線(μm，μm)圖311是= μm和= μm相對(duì)靈敏度的比較。對(duì)應(yīng)于= μm的曲線靈敏度較高，但兩條曲線非常接近，在1073 K~2273 。綜上所述，對(duì)于 μm， μm附近；當(dāng)μm，~ μm，溫度在1073 K~2273 μm。圖311 相對(duì)靈敏度曲線(μm，μm)圖312 不同溫度下曲線(μm，μm)以為自變量，為參變量，取 μm，作曲線，如圖312。圖中各曲線的間隔均勻性對(duì)應(yīng)了圖37中曲線的線性。在較短波長(zhǎng)處間隔均勻，但溫度分辨率低（間隔小），在較長(zhǎng)波長(zhǎng)處，正好相反。通過對(duì)曲線靈敏度、相對(duì)靈敏度、線性等因素加以研究，已經(jīng)得出了的取值范圍，考慮到實(shí)際購(gòu)買的SiInGaAs光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)， μm附近。(2)的選取在測(cè)溫原理一節(jié)，曾假定兩個(gè)波長(zhǎng)處的發(fā)射率相同（灰體條件），應(yīng)用比色法原理，將兩個(gè)波長(zhǎng)的輻射功率進(jìn)行相比，由此可以得到關(guān)系曲線。由于光纖傳輸過程中的衰減，光源輻射功率不穩(wěn)定及環(huán)境溫度不穩(wěn)定，光電探測(cè)器接收到的光功率存在很大的誤差，采用功率比值法可以很好的消除這些誤差[18]。但是實(shí)際的物體為選擇性吸收體，各波長(zhǎng)處的發(fā)射率并不相同，如果選擇的與比較接近，濾光片的帶寬比較窄仍可認(rèn)為與相等。圖313 曲線(μm，μm)取= μm，以為自變量，為參變量，關(guān)系曲線如圖313。圖中， μm時(shí)，的動(dòng)態(tài)范圍較窄，而且線性較差；當(dāng) μm時(shí)，低溫段的線性較差，而且隨著的增大各曲線相差很小。由此可知， μm ~ μm。在1073K~2273K溫度范圍內(nèi)，給定= μm，以為自變量，為參變量，靈敏度關(guān)系繪于圖314。，由圖可見， μm~ μm， μm~ μm。這個(gè)區(qū)間的兩端存在著這樣的差別：如果要得到較好的低溫段特性或者說在1073 K以下擴(kuò)展特性， μm；如果要得到1500 K~3000 K范圍更好的特性， μm。實(shí)際上，多數(shù)場(chǎng)合下一般要求的是前者。也就是說，在保證1073K~2273K足夠精度的同時(shí)，希望能得到較準(zhǔn)確的中溫段573 K~1073 K(300~800℃)范圍內(nèi)的溫度。 μm，用同樣的方法可選擇中溫段573 K~1073 μm，其間隔 μm。圖314 不同溫度下靈敏度關(guān)系(μm，μm)(3)的選取下面考慮兩個(gè)波長(zhǎng)帶寬，即的選取。如圖315(a)是關(guān)系曲線，為參變量。 μm變動(dòng)，對(duì)曲線的影響并不大。在1000 K~3000 K范圍內(nèi)，各曲線基本平行。圖315(b)是靈敏度曲線，差別也不大。的選擇也是比較重要的，這里主要考慮的則是后面的光電探測(cè)器。必須考慮探測(cè)器的兩項(xiàng)指標(biāo)，一是其光譜響應(yīng)度，二是其最小可探測(cè)的光功率。 μm正好位于硅光電探測(cè)器響應(yīng)峰值波長(zhǎng)的兩側(cè)。不但在兩個(gè)波長(zhǎng)處有較高的響應(yīng)(相對(duì)響應(yīng)度都大于60%)，而且響應(yīng)值也比較接近[19]。(a) 比值(為參變量) (b) 靈敏度(為參變量)圖315 的變化對(duì)測(cè)溫的影響輻射測(cè)溫時(shí)，由于被測(cè)物體表面發(fā)射率與波長(zhǎng)及溫度都有關(guān)，因而和不能太大。但考慮到探測(cè)器的最小可探測(cè)光功率后，則和都不能取得太小[20]。實(shí)際上我們是利用下式得到的： (38)式(38)中，和分別為兩個(gè)探測(cè)器的輸出，仍認(rèn)為探測(cè)器在兩波長(zhǎng)處響應(yīng)為常數(shù)和。為光學(xué)系統(tǒng)的接收立體角，為物體發(fā)光面積。計(jì)算時(shí)，實(shí)際上是先測(cè)出兩個(gè)探測(cè)器的輸出和，然后再求/。越大，探測(cè)器接收的光信號(hào)越強(qiáng)，信噪比越大。亦然。在要求的測(cè)溫范圍內(nèi)，1073 K時(shí)信號(hào)光功率最小，滿足探測(cè)器最小可探光功率就可以求出的最小值。設(shè)其最小可探光功率為，再代入的表達(dá)式，有下式成立： (39) μm。在前面的計(jì)算中，我們沒有考慮光路的損耗，以及物體的發(fā)射率的影響?？紤]這些因素后， μm。在1073 K~2273 K范圍內(nèi)，由于處的單色輻射度要高于處，因此帶寬可以相對(duì)于小一些。為了能探測(cè)到中溫段應(yīng)該選擇較大的值。我們實(shí)際采用的濾光片是== μm。前面兩個(gè)波長(zhǎng)選取時(shí)，是假設(shè)濾光片的透過率及光電探測(cè)器光譜響應(yīng)在兩個(gè)波長(zhǎng)帶寬內(nèi)相等且為常數(shù)。下面利用實(shí)際的光譜響應(yīng)修正雙波長(zhǎng)測(cè)溫曲線。實(shí)際的表達(dá)式為： (310)式(310)中，—濾光片的透過率，—光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)。我們繪出關(guān)系于圖316中。曲線1是按認(rèn)為濾光片為單色而得到。曲線2是按認(rèn)為光譜響應(yīng)為常數(shù)而得到