【正文】 要參數(shù)，它是國(guó)際單位制（SI）中 7 個(gè)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(cè)與控制在軍事、國(guó)防以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有重要的作用和意義；而且高溫測(cè)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(jī)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(duì)溫度這一重要的物理量的監(jiān)測(cè)與控制也要求越來越嚴(yán)格。這些領(lǐng)域相關(guān)科技的進(jìn)步與需求的增長(zhǎng)強(qiáng)有力地推動(dòng)了溫度測(cè)量技術(shù)飛速發(fā)展。但是，要準(zhǔn)確地測(cè)量溫度是十分不容易的，無論使用精度多高的溫度計(jì)，若溫度計(jì)的選擇不恰當(dāng)或者測(cè)試方法不合適，都不能得到準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。由上述可以看出溫度測(cè)量技術(shù)的重要意義。 測(cè)量溫度方法可以分為接觸測(cè)溫法和非接觸測(cè)溫法。接觸測(cè)溫法是比較常使用的測(cè)溫方法，種測(cè)溫方法主要是應(yīng)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(cè)溫技術(shù)比較成熟，測(cè)溫范圍廣，便于遠(yuǎn)距離測(cè)量且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因而應(yīng)用較為廣泛。但由于其測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)輸送全為電量，易受外界電磁場(chǎng)的干擾和影響；無法實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器溫度信號(hào)的融合和分布式測(cè)量；同時(shí)，制成傳感器的導(dǎo)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(yán)重的情況下，非接觸測(cè)溫較接觸式測(cè)溫方法更加適合。非接觸測(cè)溫法主要以熱輻射測(cè)溫為主，隨著近些年科學(xué)發(fā)展和進(jìn)步，熱輻射測(cè)溫技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步愈加可靠。 光纖傳感技術(shù)是二十世紀(jì)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(diǎn):（1）靈敏度高； （2）是無源器件，對(duì)被測(cè)對(duì)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(dòng)態(tài)范圍大； （5）幾何形狀具有多方面的適應(yīng)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(cè)技術(shù)相配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)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(jì)算機(jī)相連接，實(shí)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(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量； 光纖溫度傳感器按照調(diào)制機(jī)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(gè)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(shí)用的傳感器大多是這種類型。自從年美國(guó)第一次成功地研制成傳輸損耗為眾的石英質(zhì)玻璃光導(dǎo)纖維以來，光導(dǎo)纖維技術(shù)光導(dǎo)纖維傳感器等領(lǐng)域已得到成功的運(yùn)用。在光導(dǎo)纖維溫度傳感器研制方面，國(guó)外已走出實(shí)驗(yàn)室，國(guó)內(nèi)許多大學(xué)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(guó)外光纖高溫傳感器已可探測(cè)2000℃的溫度，其靈敏度達(dá)到177。1℃。用于低溫范圍的光纖溫度傳感器，℃的變化。利用半導(dǎo)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(dá)到177?！娴臏y(cè)量精度，日本成功地使用InGaAs光纖溫度傳感器實(shí)現(xiàn)了電機(jī)車車載變壓器的繞組溫度的測(cè)量，美國(guó)和加拿大等國(guó)也有同類產(chǎn)品推向市場(chǎng)。美國(guó)試用中的單晶藍(lán)寶石光纖溫度計(jì)可測(cè)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(cè)量轉(zhuǎn)折頻率為原理的系列光纖測(cè)溫儀，也于近年進(jìn)入市場(chǎng)。與國(guó)內(nèi)同類光纖傳感器相比，國(guó)外光纖溫度傳感器的性能較好，已經(jīng)形成系列產(chǎn)品，價(jià)格也相對(duì)較高。在儀器制造方面，輻射溫度計(jì)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：隱絲式光學(xué)高溫計(jì)階段；用光電倍增管作為檢測(cè)的光電高溫計(jì)階段；以及用硅光電二極管、碲鎘汞作為檢測(cè)的光學(xué)測(cè)量和光電精密測(cè)溫階段。隱絲式光學(xué)高溫計(jì)出現(xiàn)在本世紀(jì)初，知道現(xiàn)在仍在高溫（800℃以上）測(cè)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(biāo)與鎢燈燈絲的亮度平衡，燈絲消失在目標(biāo)中。60年代中期出現(xiàn)了用光電倍增管作為檢測(cè)器的光電高溫計(jì)。它以光電倍增管代替隱絲式光學(xué)高溫計(jì)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(jì)70年代初 Witherell 和 Faulharber 指出硅材料的光電探測(cè)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于精密光譜探測(cè)。同時(shí) Ruffino 在噪聲和檢測(cè)數(shù)據(jù)方面證明硅材料型光電二極管應(yīng)用到高分辨率溫度計(jì)的可能性。與此同時(shí)，輻射溫度計(jì)的工作波長(zhǎng)亦從單波長(zhǎng)逐步發(fā)展為兩色（比色）和多色，從短波到長(zhǎng)波，儀器的功能逐步豐富和智能化。儀器的測(cè)量精度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、分辨率都達(dá)到了相當(dāng)高的水平，測(cè)溫范圍亦從以往的中高溫延伸到室溫或更低溫度。國(guó)內(nèi)光纖傳感技術(shù)起步相對(duì)較晚一些，但發(fā)展也相當(dāng)迅速。早在1989年12月中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所申請(qǐng)了雙波長(zhǎng)光纖溫度傳感器專利，其由探測(cè)光纖連接器、Y型分路集成器，信號(hào)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(diǎn)。西安交通大學(xué)檢測(cè)技術(shù)及自動(dòng)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(zhǎng)測(cè)量方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)已開始嘗試多波長(zhǎng)輻射理論的研究與實(shí)驗(yàn)；寶鋼也研制出SCHWHBG型智能紅外三色測(cè)溫儀，其測(cè)溫范圍300～1800℃。 從總體上來看，國(guó)內(nèi)光纖傳感技術(shù)在理論上日趨成熟，但由于國(guó)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(cè)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(guó)內(nèi)外都展開了深入研究，其中針對(duì)光路信號(hào)補(bǔ)償方法研究最多，這種補(bǔ)償方法對(duì)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(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)研究輻射測(cè)溫常用方法的原理研究全輻射測(cè)溫法原理比色測(cè)溫法原理亮度測(cè)溫法原理選定測(cè)溫原理并進(jìn)行電路設(shè)計(jì)溫度算法及標(biāo)定測(cè)控電路部分光電檢測(cè)部分圖1 光電式輻射溫度測(cè)量?jī)x的研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)圖 （二）擬解決主要問題；。了解光電管性能參數(shù)，選定型號(hào)；。設(shè)計(jì)放大電路，濾波電路，信號(hào)檢測(cè)電路等；。將測(cè)量溫度所得電壓或電流值通過單片機(jī)轉(zhuǎn)換成具體溫度數(shù)值。設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)控電路、單片機(jī)和輸出設(shè)備組成。軟件部分由溫度標(biāo)定及vt曲線擬合部分組成。測(cè)量系統(tǒng)時(shí)連接示意圖如圖2所示：黑體校準(zhǔn)儀傳輸光纖光電轉(zhuǎn)換相關(guān)電路溫度輸出光學(xué)透鏡圖2 測(cè)量系統(tǒng)連接圖首先建立起溫度標(biāo)定平臺(tái)，把黑體校準(zhǔn)器與測(cè)溫系統(tǒng)光學(xué)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(huì)把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，系統(tǒng)中的相關(guān)電路會(huì)完成對(duì)此電壓信號(hào)的調(diào)理放大和降噪環(huán)節(jié)。最后通過測(cè)量電壓電壓和實(shí)際溫度一一對(duì)應(yīng)，得到我們需要的溫度與電壓的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。四、研究工作進(jìn)度表1. 研究的工作進(jìn)度表周次應(yīng)完成內(nèi)容14周收集，查閱有關(guān)資料58周搞清楚設(shè)計(jì)原理，提出設(shè)計(jì)方案911周系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，信號(hào)電路設(shè)計(jì)1215周完成論文初稿并進(jìn)行修改1618周抄寫論文、畫圖，準(zhǔn)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(cè)量的原理，初步選定使用亮度測(cè)溫發(fā)原理進(jìn)行系統(tǒng)搭建，并對(duì)亮度測(cè)溫法光電式測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了初步認(rèn)識(shí)。亮度測(cè)溫又稱單色輻射測(cè)溫，是指根據(jù)物體的某一窄段光譜的輻射能量來計(jì)算物體的溫度， 用此種方法測(cè)得的溫度稱之為亮度溫度。 根據(jù)維恩位移定律， 當(dāng)時(shí)，黑體在某一固定溫度下最大單色輻射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)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(cè)得單色輻射強(qiáng)度最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)就可以計(jì)算出物體的亮度溫度。五、主要參考文獻(xiàn)[1] [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007. [2] 王新?lián)P,唐海,. 儀器儀表學(xué)報(bào),1993,14(4):434~437 [3] [J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng) ,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(xué),2006:110,1623. [7] 雙波長(zhǎng)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(yīng)用 11~37 118~124[11] 劉桃麗,黎道武, CCD 的單波長(zhǎng)輻射測(cè) 溫方法[J].,23(1). [12] 劉建,包學(xué)誠(chéng), ,11(5). 六、指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日七、系級(jí)教學(xué)單位審核意見：審查結(jié)果： □ 通過 □ 完善后通過 □ 未通過 負(fù)責(zé)人簽字：年 月 日7附錄二燕 山 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告課題名稱：光電式輻射溫度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)研究學(xué)院（系）： 電氣工程學(xué)院 年級(jí)專業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué)生姓名： 李瀟 指導(dǎo)教師： 王玉田 完成日期： 2014/5/8 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)研究進(jìn)展此次畢業(yè)設(shè)計(jì)旨在基于熱輻射定律原理進(jìn)行光電式輻射測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)研究及改進(jìn)，在對(duì)高溫物體進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)運(yùn)用光電傳輸技術(shù)，是測(cè)量人和測(cè)量?jī)x器遠(yuǎn)離高溫?zé)嵩矗苊鈱?duì)測(cè)量人和儀器造成傷害。本次畢設(shè)主要研究了測(cè)溫系統(tǒng)的搭建，研究?jī)?nèi)容主要包括以下部分：（1） 熱輻射信號(hào)采集，光纖探頭的設(shè)計(jì)；（2） 硬件電路部分的設(shè)計(jì)。硬件電路設(shè)計(jì)部分主要有光電轉(zhuǎn)換部分，一級(jí)前置放大，二級(jí)幅度放大，恒溫模塊部分組成；（3） 確定測(cè)量溫度和檢測(cè)信號(hào)的關(guān)系，進(jìn)行曲線標(biāo)定和函數(shù)擬合，確定二者關(guān)系；（4） 采用單片機(jī)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)了電路仿真（使用multisim）；（3） 完成了對(duì)恒溫模塊的電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了電路仿真（使用multisim）；（4） 確定溫度和信號(hào)對(duì)應(yīng)方法的實(shí)驗(yàn)方法，確定函數(shù)擬合辦法；（5） 完成顯示輸出所用單片機(jī)的選型，并編寫出所需運(yùn)行的程序的主干。 未完成的工作：（1） 未實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換部分的電路安裝焊接；（2） 未進(jìn)行溫度和檢測(cè)信號(hào)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)；（3） 未完成單片機(jī)及整個(gè)系統(tǒng)的組裝和調(diào)試。二、畢業(yè)設(shè)計(jì)的具體實(shí)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(duì)準(zhǔn)熱源被測(cè)物體，按一定的視場(chǎng)范圍和角度接受被測(cè)目標(biāo)的輻射能量，會(huì)聚到光纖。 凸透鏡光纖固定套管光纖被測(cè)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(shè)計(jì)部分。硬件電路設(shè)計(jì)部分主要有光電轉(zhuǎn)換部分，一級(jí)前置放大，二級(jí)幅度放大，恒溫模塊部分組成。光電轉(zhuǎn)換是輻射測(cè)溫系統(tǒng)的核心部分，它初步建立起溫度信號(hào)與電信號(hào)之間的橋梁。它主要的工作原理是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)，即用一定頻率的光的照射物質(zhì)時(shí)會(huì)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(shè)備，所以選用王玉田老師提供的WFH68A型光纖測(cè)溫儀的光電二極管。此光電二極管適合的溫度測(cè)量范圍是800℃到1800℃，對(duì)800nm左右波長(zhǎng)靈敏度最高。所用濾波片的最適透射波長(zhǎng)為=800nm，帶寬=20nm，最大透射率T=70%。由于光電管產(chǎn)生的電信號(hào)非常微弱，因此光電轉(zhuǎn)換電路要有較大的輸入信噪比和輸出信噪比。在選用前置放大器時(shí)，應(yīng)選擇低噪聲