【正文】 一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的重要參數(shù)，它是國際單位制（SI）中 7 個基本物理量之一，也是工業(yè)生產(chǎn)中主要的工藝參數(shù)。溫度的檢測與控制在軍事、國防以及科學實驗中具有重要的作用和意義；而且高溫測量在航天、航海、材料、能源、冶金等領(lǐng)域中占有十分重要的地位。另外，隨著能源危機的愈演愈烈，出于低碳和環(huán)保節(jié)能的考慮，在工業(yè)生產(chǎn)制造中，對溫度這一重要的物理量的監(jiān)測與控制也要求越來越嚴格。這些領(lǐng)域相關(guān)科技的進步與需求的增長強有力地推動了溫度測量技術(shù)飛速發(fā)展。但是，要準確地測量溫度是十分不容易的，無論使用精度多高的溫度計，若溫度計的選擇不恰當或者測試方法不合適，都不能得到準確的測試結(jié)果。由上述可以看出溫度測量技術(shù)的重要意義。 測量溫度方法可以分為接觸測溫法和非接觸測溫法。接觸測溫法是比較常使用的測溫方法，種測溫方法主要是應用熱電阻或熱電偶作為溫度傳感器。熱電偶、熱電阻傳感器的測溫技術(shù)比較成熟，測溫范圍廣，便于遠距離測量且結(jié)構(gòu)簡單，因而應用較為廣泛。但由于其測量系統(tǒng)的信號輸送全為電量，易受外界電磁場的干擾和影響；無法實現(xiàn)多個傳感器溫度信號的融合和分布式測量；同時，制成傳感器的導體是金屬，易受腐蝕，故使用壽命受到限制。所以在高溫，和電磁干擾較為嚴重的情況下，非接觸測溫較接觸式測溫方法更加適合。非接觸測溫法主要以熱輻射測溫為主，隨著近些年科學發(fā)展和進步，熱輻射測溫技術(shù)取得了長足進步愈加可靠。 光纖傳感技術(shù)是二十世紀七十年代末發(fā)展起來的一門新興技術(shù),與傳統(tǒng)的傳感器相比光纖溫度傳感器具有諸多優(yōu)點:（1）靈敏度高； （2）是無源器件，對被測對象不產(chǎn)生影響； （3）光纖是非電介質(zhì)，耐高壓、耐腐蝕，在易燃易爆環(huán)境下安全可靠； （4）頻帶寬，動態(tài)范圍大； （5）幾何形狀具有多方面的適應性，可以做成任意形狀的傳感器和傳感器陣列； （6）在共同的技術(shù)基礎(chǔ)上可以制成傳感不同物理量的傳感器； （7）可以和光纖遙測技術(shù)相配合，實現(xiàn)遠距離測量和控制； （8）由光纖傳感器組成的光纖傳感系統(tǒng)便于與中心計算機相連接，實現(xiàn)多功能、智能化； （9）傳感器體積小、重量輕； （10）可以與光纖通信技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)分布式測量； 光纖溫度傳感器按照調(diào)制機理可分為相位調(diào)制，振幅調(diào)制，偏振態(tài)調(diào)制：按照傳感方式可分為傳感型和傳輸型。傳感型光纖溫度傳感器是以光纖本身作為敏感元件，傳輸型光纖溫度傳感器只是利用光纖傳輸光，在光纖的一個斷面上，配置上另外的溫度敏感期間與光纖耦合起來，構(gòu)成光纖傳感器。傳輸型與傳感型相比，雖然靈敏度稍差，但可靠性高，實用的傳感器大多是這種類型。自從年美國第一次成功地研制成傳輸損耗為眾的石英質(zhì)玻璃光導纖維以來，光導纖維技術(shù)光導纖維傳感器等領(lǐng)域已得到成功的運用。在光導纖維溫度傳感器研制方面，國外已走出實驗室，國內(nèi)許多大學和研制單位也研制出各種光纖溫度傳感器。到目前已有百余種光纖傳感器成功問世。在光纖溫度傳感器的研究方面，國外光纖高溫傳感器已可探測2000℃的溫度，其靈敏度達到177。1℃。用于低溫范圍的光纖溫度傳感器，℃的變化。利用半導體材料的吸收光譜隨溫度改變的特性而制成的光纖溫度傳感器已達到177。℃的測量精度，日本成功地使用InGaAs光纖溫度傳感器實現(xiàn)了電機車車載變壓器的繞組溫度的測量，美國和加拿大等國也有同類產(chǎn)品推向市場。美國試用中的單晶藍寶石光纖溫度計可測2000℃的高溫，其精度比熱電偶高10倍；加拿大北方電訊公司生產(chǎn)的以測量轉(zhuǎn)折頻率為原理的系列光纖測溫儀，也于近年進入市場。與國內(nèi)同類光纖傳感器相比，國外光纖溫度傳感器的性能較好，已經(jīng)形成系列產(chǎn)品，價格也相對較高。在儀器制造方面，輻射溫度計的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段：隱絲式光學高溫計階段；用光電倍增管作為檢測的光電高溫計階段；以及用硅光電二極管、碲鎘汞作為檢測的光學測量和光電精密測溫階段。隱絲式光學高溫計出現(xiàn)在本世紀初，知道現(xiàn)在仍在高溫（800℃以上）測量領(lǐng)域中被使用。他的工作原理是在峰值為650nm并在盡可能小的帶寬內(nèi)，使目標與鎢燈燈絲的亮度平衡，燈絲消失在目標中。60年代中期出現(xiàn)了用光電倍增管作為檢測器的光電高溫計。它以光電倍增管代替隱絲式光學高溫計中的人眼來坐亮度比較，具有較高的靈敏度和精度。到了二十世紀70年代初 Witherell 和 Faulharber 指出硅材料的光電探測器具有線性度高、穩(wěn)定性好、靈敏度高、結(jié)構(gòu)牢固、壽命長等優(yōu)點，非常適用于精密光譜探測。同時 Ruffino 在噪聲和檢測數(shù)據(jù)方面證明硅材料型光電二極管應用到高分辨率溫度計的可能性。與此同時，輻射溫度計的工作波長亦從單波長逐步發(fā)展為兩色（比色）和多色，從短波到長波，儀器的功能逐步豐富和智能化。儀器的測量精度、響應速度、穩(wěn)定性、分辨率都達到了相當高的水平，測溫范圍亦從以往的中高溫延伸到室溫或更低溫度。國內(nèi)光纖傳感技術(shù)起步相對較晚一些，但發(fā)展也相當迅速。早在1989年12月中國科學院西安光學精密機械研究所申請了雙波長光纖溫度傳感器專利，其由探測光纖連接器、Y型分路集成器，信號處理和顯示部分組成，具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，成本低，性能高等特點。西安交通大學檢測技術(shù)及自動化教研室也早在1997年就已開始了光纖溫度傳感器的研究工作，并取得了可喜的成果。另外，多波長測量方面，哈爾濱工業(yè)大學已開始嘗試多波長輻射理論的研究與實驗；寶鋼也研制出SCHWHBG型智能紅外三色測溫儀，其測溫范圍300～1800℃。 從總體上來看，國內(nèi)光纖傳感技術(shù)在理論上日趨成熟，但由于國內(nèi)缺少光纖傳感器所用器件，傳感器加工條件十分有限，很多傳感器加工精度不高，從而影響了傳感器的穩(wěn)定性和測量精度，限制了光纖傳感器的發(fā)展。圍繞這些不穩(wěn)定因素，國內(nèi)外都展開了深入研究，其中針對光路信號補償方法研究最多，這種補償方法對消除光路的不穩(wěn)定因素最有效，已成為解決光纖傳感器穩(wěn)定性的一條新出路。 研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題 （一）待研究基本內(nèi)容如圖1。光電式輻射溫度測量儀的設計研究輻射測溫常用方法的原理研究全輻射測溫法原理比色測溫法原理亮度測溫法原理選定測溫原理并進行電路設計溫度算法及標定測控電路部分光電檢測部分圖1 光電式輻射溫度測量儀的研究內(nèi)容簡圖 （二）擬解決主要問題；。了解光電管性能參數(shù)，選定型號；。設計放大電路，濾波電路，信號檢測電路等；。將測量溫度所得電壓或電流值通過單片機轉(zhuǎn)換成具體溫度數(shù)值。設計算法，擬合溫度曲線。三、研究步驟、方法及措施 典型的光電式測溫系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件部分主要由光電元件、傳輸光纖、測控電路、單片機和輸出設備組成。軟件部分由溫度標定及vt曲線擬合部分組成。測量系統(tǒng)時連接示意圖如圖2所示：黑體校準儀傳輸光纖光電轉(zhuǎn)換相關(guān)電路溫度輸出光學透鏡圖2 測量系統(tǒng)連接圖首先建立起溫度標定平臺，把黑體校準器與測溫系統(tǒng)光學透鏡連接好，透鏡采集的輻射能量通過光纖將能量傳輸至光電管接收口。光電管會把接收到的光信號轉(zhuǎn)換為對應的電信號，系統(tǒng)中的相關(guān)電路會完成對此電壓信號的調(diào)理放大和降噪環(huán)節(jié)。最后通過測量電壓電壓和實際溫度一一對應，得到我們需要的溫度與電壓的對應數(shù)據(jù)。四、研究工作進度表1. 研究的工作進度表周次應完成內(nèi)容14周收集，查閱有關(guān)資料58周搞清楚設計原理，提出設計方案911周系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計，信號電路設計1215周完成論文初稿并進行修改1618周抄寫論文、畫圖，準備答辯目前，通過查閱并理解相關(guān)資料，已經(jīng)歸納出光電式輻射溫度測量的原理，初步選定使用亮度測溫發(fā)原理進行系統(tǒng)搭建，并對亮度測溫法光電式測量儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了初步認識。亮度測溫又稱單色輻射測溫，是指根據(jù)物體的某一窄段光譜的輻射能量來計算物體的溫度， 用此種方法測得的溫度稱之為亮度溫度。 根據(jù)維恩位移定律， 當時，黑體在某一固定溫度下最大單色輻射強度對應的波長與此刻的溫度T的乘積為常數(shù)，表示為： （1）式中，*。從式（1）可知，只要測得單色輻射強度最大值所對應的波長就可以計算出物體的亮度溫度。五、主要參考文獻[1] [M].北京:機械工業(yè)出版社,2007. [2] 王新?lián)P,唐海,. 儀器儀表學報,1993,14(4):434~437 [3] [J].自動化技術(shù)與應 ,23(3):17. [4] 胡玲 光纖溫度傳感器的研究與發(fā)展[J] 科協(xié)論丘2010年第5期 (下)[5] , , , et al. Simultaneous strain and t emperature measurement using a superstructure fiber Bragg grating. IEEE Photonics Technology Letters, 2000, 12(6): 675677 [6] [D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大 學,2006:110,1623. [7] 雙波長光纖溫度傳感器 CN2065756U[8] Christensen D A. A fiber optic temperature sensor using wavelength dependent detection [A]. De Paula R P, Udd of SPIE: Fiber Optic and Laser Sensors [C]. San Diego: SPIE, 2001,838:252~256 [9] 蘇東波 光纖溫度傳感器發(fā)展現(xiàn)狀[J] 傳感器技術(shù) 1995年第6期[10] 呂泉 現(xiàn)代傳感器原理及應用 11~37 118~124[11] 劉桃麗,黎道武, CCD 的單波長輻射測 溫方法[J].,23(1). [12] 劉建,包學誠, ,11(5). 六、指導教師意見 指導教師簽字： 年 月 日七、系級教學單位審核意見：審查結(jié)果： □ 通過 □ 完善后通過 □ 未通過 負責人簽字：年 月 日9附錄二燕 山 大 學本科畢業(yè)設計（論文）中期報告課題名稱：光電式輻射溫度測量儀的設計研究學院（系）： 電氣工程學院 年級專業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 學生姓名： 李瀟 指導教師： 王玉田 完成日期： 2014/5/8 一、畢業(yè)設計研究進展此次畢業(yè)設計旨在基于熱輻射定律原理進行光電式輻射測溫儀的設計研究及改進，在對高溫物體進行溫度測量時運用光電傳輸技術(shù)，是測量人和測量儀器遠離高溫熱源，避免對測量人和儀器造成傷害。本次畢設主要研究了測溫系統(tǒng)的搭建，研究內(nèi)容主要包括以下部分：（1） 熱輻射信號采集，光纖探頭的設計；（2） 硬件電路部分的設計。硬件電路設計部分主要有光電轉(zhuǎn)換部分，一級前置放大，二級幅度放大，恒溫模塊部分組成；（3） 確定測量溫度和檢測信號的關(guān)系，進行曲線標定和函數(shù)擬合，確定二者關(guān)系；（4） 采用單片機對測量數(shù)據(jù)進行處理和顯示輸出。 已完成的工作（1） 完成了光纖探頭部分的設計。完成了光纖探頭的組成和結(jié)構(gòu)研究；（2） 完成了光電轉(zhuǎn)換部分的設計研究，實現(xiàn)了電路仿真（使用multisim）；（3） 完成了對恒溫模塊的電路設計，并進行了電路仿真（使用multisim）；（4） 確定溫度和信號對應方法的實驗方法，確定函數(shù)擬合辦法；（5） 完成顯示輸出所用單片機的選型，并編寫出所需運行的程序的主干。 未完成的工作：（1） 未實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換部分的電路安裝焊接；（2） 未進行溫度和檢測信號的標定實驗；（3） 未完成單片機及整個系統(tǒng)的組裝和調(diào)試。二、畢業(yè)設計的具體實施方案（1）光纖探頭主要由鋁合金套筒，光纖固定套管，凸透鏡，光纖等組成。主要工作辦法是將光纖探頭對準熱源被測物體，按一定的視場范圍和角度接受被測目標的輻射能量，會聚到光纖。 凸透鏡光纖固定套管光纖被測熱源鋁合金套管 光纖探頭的結(jié)構(gòu)示意圖n2n1an0 光纖結(jié)構(gòu)圖本儀器采用的是多模玻璃光纖。所用光纖的基本參數(shù)為：=，=，=34176。（2） 硬件電路設計部分。硬件電路設計部分主要有光電轉(zhuǎn)換部分，一級前置放大，二級幅度放大，恒溫模塊部分組成。光電轉(zhuǎn)換是輻射測溫系統(tǒng)的核心部分，它初步建立起溫度信號與電信號之間的橋梁。它主要的工作原理是利用物質(zhì)的光電效應，即用一定頻率的光的照射物質(zhì)時會釋放出光電子的現(xiàn)象。我們選用的是硅型光電二極管。由于光纖安裝和光電二極管封裝部分缺少必須的封裝設備，所以選用王玉田老師提供的WFH68A型光纖測溫儀的光電二極管。此光電二極管適合的溫度測量范圍是800℃到1800℃，對800nm左右波長靈敏度最高。所用濾波片的最適透射波長為=800nm，帶寬=20nm，最大透射率T=70%。由于光電管產(chǎn)生的電信號非常微弱，因此光