【正文】 ，采用不同原理和新方法，研制出很多類型的溫度傳感器和測溫系統(tǒng)，針對(duì)中、高溫測量的傳感器主要有：接觸式測溫的熱電偶、熱電阻傳感器、非接觸測溫的光學(xué)輻射溫度儀和光纖溫度傳感器。新的測量對(duì)象包括：①以超高溫及極低溫為主的極限溫度；②易被測量影響且熱容量小的物體和微小物體；③從外部無法進(jìn)行的內(nèi)部溫度測量，如火焰、鋼水、鋁液、鋼液等溫度測量。(2)對(duì)溫度測量技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。因此科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展對(duì)溫度測量技術(shù)提出了更高的要求，主要表現(xiàn)在：(1)對(duì)溫度測量技術(shù)水平的要求更高?；谔摂M儀器技術(shù)的輻射式光纖測溫系統(tǒng)的研究畢業(yè)論文目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題研究的背景 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 課題研究的意義 4 課題研究的主要內(nèi)容 6第2章 黑體輻射式光纖測溫的機(jī)理 7 概論 7 熱輻射原理 8 黑體輻射換熱原理 8 輻射測溫的基本原理 10 輻射測溫的基本方法 12 全輻射式溫度測量法 13 亮度測溫法（單色輻射測溫法） 13 雙波長輻射測溫法（比色測溫法） 14 多波長輻射測溫法 15 本章小結(jié) 16第3章 黑體輻射式光纖測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 17 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 黑體腔探頭設(shè)計(jì)與分析 17 概論 17 黑體腔積分發(fā)射率模型和計(jì)算 18 接收探頭結(jié)構(gòu) 19 光纖耦合器 21 窄帶干涉濾光片 21 雙波長測溫中兩個(gè)波長的選取 21 濾光片參數(shù)確定 31 光電探測器及其轉(zhuǎn)換電路 31 SiInGaAs光電探測器的結(jié)構(gòu)原理及性能 32 前置放大器 34 本章小結(jié) 34第4章 輻射式光纖測溫系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析 35 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 35 濾光片旋轉(zhuǎn)系統(tǒng) 35 光電轉(zhuǎn)換電路 36 信號(hào)處理系統(tǒng) 37 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 37 溫度測量實(shí)驗(yàn) 39 本章小結(jié) 40結(jié)論 42參考文獻(xiàn) 44致謝 46附錄 47I第1章 緒論第1章 緒論 課題研究的背景溫度是最基本的物理量之一，它在許多科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)有重要作用，熱力學(xué)、流體力學(xué)、物理、化學(xué)、冶金等學(xué)科中所研究的基本規(guī)律都與溫度密切相關(guān)。在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域中，溫度的檢測也是至關(guān)重要的，例如發(fā)電、塑料和玻璃的生產(chǎn)與成型、冶金等領(lǐng)域，溫度的準(zhǔn)確測量和控制是生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的保證[1,2]。要求測量誤差小，分辨率高，測量速度快，測量出溫度輪廓和溫度區(qū)域，測量范圍擴(kuò)大等。溫度測量技術(shù)不斷擴(kuò)展到原來無法測量的新對(duì)象和不能采用原有方法的環(huán)境中的測量。需要采用新方法測量的環(huán)境有①傳感器、測量儀器易受損壞的腐蝕性環(huán)境；②高溫、低溫、高壓、高磁場等極限環(huán)境；③易造成信號(hào)干擾的高頻電磁場、高振動(dòng)場等環(huán)境等。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(yuǎn)距離測量且結(jié)構(gòu)簡單，因而應(yīng)用較為廣泛。與此有所區(qū)別，光纖傳感技術(shù)集傳感和信息傳輸于一體，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大、抗電磁干擾、易于實(shí)現(xiàn)分布式測量等優(yōu)點(diǎn)，還適用于遠(yuǎn)距離遙測。光纖通信技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模實(shí)用化的階段，傳感器技術(shù)發(fā)展滯后于光纖通信技術(shù)的發(fā)展，但某些類型的傳感器目前也已進(jìn)入市場。由于其本身具有許多優(yōu)異特性，光纖傳感器在問世后就得到了廣泛的研究和應(yīng)用。傳輸型光纖傳感器的種類非常多，有利用熱電阻、熱電偶的光電混合型，有光路遮斷型，有利用敏感元件的透射率、光強(qiáng)、發(fā)光時(shí)間、反射率、相位進(jìn)行檢測的透光或發(fā)光型傳感器，有利用輻射法的光纖探頭型傳感器。根據(jù)傳感頭的測溫方式，光纖輻射溫度計(jì)分為接觸式和非接觸式兩種。雖然為提高空間分辨率而將探頭做得很小，但往往仍會(huì)破壞被測物體的熱平衡狀態(tài)，并受到被測物質(zhì)的腐蝕。對(duì)于接觸式光纖高溫計(jì)，主要采用藍(lán)寶石光纖作為探頭，由于國內(nèi)生產(chǎn)的這種光纖長度達(dá)不到工業(yè)應(yīng)用中的50cm的要求、一致性較差，主要靠國外進(jìn)口，因此測量系統(tǒng)成本較高是限制其廣泛應(yīng)用的原因之一[58]。非接觸式測量特點(diǎn)是使光纖溫度計(jì)不與物體發(fā)生接觸，而是利用透鏡接收物體表面的熱輻射。從原理上講，這種方法測溫?zé)o上限。但是由于受到環(huán)境因素影響較大和光纖對(duì)傳輸光強(qiáng)的吸收損耗，導(dǎo)致非接觸式測溫準(zhǔn)確度往往要低于接觸法測溫系統(tǒng)。光學(xué)輻射溫度儀最主要的缺陷是精度不高，雖然其測溫范圍廣，但是測量精度尚有待得到進(jìn)一步的提高，而依靠原有的方法是不可行的，必須與新技術(shù)、新方法相結(jié)合，從整體上達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的要求。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀光纖測溫技術(shù)是儀器儀表領(lǐng)域重要發(fā)展方向之一，光纖測溫系統(tǒng)的使用極大地滿足了諸多工業(yè)應(yīng)用及科研領(lǐng)域的要求。國際上早在七十年代中期就已經(jīng)開始了對(duì)光纖測溫系統(tǒng)的研究，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(dá)到177。用于低溫范圍的光纖溫度傳感器， ℃的變化。 ℃）；日本LEN公司研制的紅外光纖溫度計(jì)等早已成功打入市場；英國Land公司成功研制了紅外輻射溫度傳感器，并配有LANPAEK信息處理器；美國試用中的單晶藍(lán)寶石光纖溫度計(jì)可測量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(jìn)入市場。我國光纖測溫技術(shù)的研究起步相對(duì)晚一些，但發(fā)展也很迅速。近年來在國內(nèi)興起的光纖溫度測量系統(tǒng)，更是因其優(yōu)異的抗干擾性能和安全性能而在高壓領(lǐng)域獨(dú)樹一幟。1%，經(jīng)20多個(gè)鋼鐵廠在惡劣環(huán)境中使用，反映性能穩(wěn)定可靠；上海市光纖通信工程公司研制的光纖測溫報(bào)警儀已可小批量生產(chǎn)；武漢理工學(xué)院采用接觸—非接觸式的新方法，研制出的光纖高溫計(jì)在武鋼進(jìn)行了多次試驗(yàn)；清華大學(xué)和西安光機(jī)所也已研制出高溫型光纖測溫儀。另外，多波長測量方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)已開始嘗試多波長輻射理論的研究與實(shí)驗(yàn)；寶鋼也研制出SCHWHBG型智能紅外三色測溫儀，其測溫范圍300～1800 ℃[9,10]。目前國內(nèi)光纖溫度傳感器普遍存在工作不穩(wěn)定的問題，半導(dǎo)體吸收式光纖傳感器更是如此，這種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器使用光纖作為傳感器的傳光媒介，很容易受到其他環(huán)境因素的干擾，例如光纖的彎曲。圍繞這些不穩(wěn)定因素，國內(nèi)外都展開了深入的研究，不斷研究新的消噪方法，還提出了一些更具穩(wěn)定性的補(bǔ)償方法，這些方法對(duì)提高大多數(shù)光纖測溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大幫助。 課題研究的意義在冶金、化工、能源、建材等工業(yè)領(lǐng)域中，對(duì)溫度的準(zhǔn)確、迅速的測量有著十分重要的意義。而且我國缺乏鉑、銠金屬資源，每年需花費(fèi)大量外匯購買。盡管國內(nèi)外對(duì)高溫測量技術(shù)開展了一系列的研究，但一直未能找到成功的替代方法。美國研制成功的藍(lán)寶石光纖高溫傳感器，其價(jià)格昂貴(7000美元/支)，互換性差，只能用于特殊場合，且藍(lán)寶石光纖對(duì)于我國禁運(yùn)，而我國自行研制的藍(lán)寶石光纖因長度太短不能實(shí)用[12]。目前，美國、英國、法國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家對(duì)光纖溫度測量系統(tǒng)都做了大量的研究，并在不同程度上進(jìn)入了實(shí)用化階段。國內(nèi)清華大學(xué)、浙江大學(xué)及西安電子科技大學(xué)等高校也開展了光纖測溫技術(shù)方面的研究。對(duì)于溫度參數(shù)測量的傳感器尤其是非接觸式的光纖測量系統(tǒng)以其獨(dú)特的特點(diǎn)被廣泛的研究和應(yīng)用[13]。但其光學(xué)輻射溫度系統(tǒng)最主要的缺陷是精度不高，這是由以下幾個(gè)方面造成的：(1)測量系統(tǒng)是靠經(jīng)驗(yàn)來選擇與被測物體的距離、黑度系數(shù)和判斷是否瞄準(zhǔn)，這樣容易產(chǎn)生主觀誤差。環(huán)境溫度也易影響傳感器，甚至使其不能正常工作。由于物體的輻射能力由輻射系數(shù)表示，的大小決定于材料的性質(zhì)、表面形狀、溫度和光的波長，的準(zhǔn)確度將影響系統(tǒng)的測量精度。因此，研究一種新型的輻射式光纖測溫系統(tǒng)具有重要的意義。該課題的研制成功將在冶金、建材、機(jī)械、化工等行業(yè)的被測體溫度的測量與在線控制中有著廣泛應(yīng)用前景，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量保證與控制有重要意義。而且對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少廢品率，節(jié)約能源和原材料，降低成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。針對(duì)目前光纖輻射式測溫儀的低溫測量效果較差，溫度測量范圍窄的缺陷，提出采用Si和InGaAs倒焊對(duì)接的光電探測器和濾光片自動(dòng)選擇系統(tǒng)，有效地?cái)U(kuò)大了測溫范圍和測溫精度。介紹了目前國內(nèi)外溫度測量儀的種類，通過對(duì)比，重點(diǎn)介紹了接觸式測溫系統(tǒng)和非接觸式測溫系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出采用接觸式與非接觸式相結(jié)合的比色測溫方案。第三章詳細(xì)介紹了黑體輻射式光纖測溫系統(tǒng)的各部分組成，對(duì)黑體腔探頭，接收探頭、多模光纖、耦合器、濾光片、光電探測器以及信號(hào)處理等各部分性能、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹和討論。第四章對(duì)雙波段光纖比色輻射測溫儀的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。41 第2章 黑體輻射式光纖測溫的機(jī)理第2章 黑體輻射式光纖測溫的機(jī)理 概論任何物體只要其本身及其周圍的溫度不是絕對(duì)零度，物體本身就向周圍輻射熱量，當(dāng)它與周圍的溫度相等時(shí)，輻射熱過程處于動(dòng)平衡狀態(tài)。物體的溫度越高，粒子被激勵(lì)的越強(qiáng)烈，輻射的能量就越大。一般認(rèn)為， μm波長的為紫外線，波長更短的為射線， μm為可見光， μm的為紅外線，～3 μm的為近紅外線，3～6 μm的為中紅外線，6～20 μm的為中遠(yuǎn)紅外線，20～1000 μm的為遠(yuǎn)紅外線。光纖輻射溫度測量儀可以按照應(yīng)用的波長特性將其分類。若儀器只根據(jù)某一個(gè)特征波段上的輻射而測溫，則得到的是物體的亮溫度；若儀器根據(jù)兩個(gè)或更多的特征波段上的輻射而測溫，則所得到的是物體的色溫度；根據(jù)所有波長范圍內(nèi)的總輻射而測溫，所得到的是物體的全輻射溫度[14]。此外，物體發(fā)射出的輻射能在到達(dá)探測器的過程中，還有各種因素造成的損失。無論是亮溫度、色溫度或者輻射溫度，它們都不是物體表面的真實(shí)溫度，即使經(jīng)過大氣傳輸因子等修正后，它們與物體表面的真實(shí)溫度之間仍存在差異。所以，本課題的研究目的是得到最接近真實(shí)溫度的測量方法和系統(tǒng)。兩個(gè)任意布置的黑體表面Ⅰ和Ⅱ組成一個(gè)輻射系統(tǒng)，兩表面之間的介質(zhì)對(duì)熱輻射透明，其面積和溫度分別為、和、為兩個(gè)表面的法線方向，、為輻射方向與各自法線方向的夾角，為兩表面間的距離，系統(tǒng)中兩個(gè)表面的輻射能都有一部分到達(dá)另一表面，其余部分輻射到系統(tǒng)以外空間。因此可應(yīng)用輻射換熱角系數(shù)(簡稱角系數(shù))來表示或計(jì)算幾何因素的影響，其定義為：從表面1輻射出來到達(dá)表面2的能量與表面1輻射出來的全部能量之比稱為表面1對(duì)表面2的角系數(shù)，用符號(hào)表示。按此定義，則上述微元面對(duì)的角系數(shù)為 (26)由于角系數(shù)的值與兩黑體表面的大小、位置、距離等幾何因素相關(guān)，所以對(duì)于由不同黑體表面組成的輻射換熱系統(tǒng)，其角系數(shù)存在差異，下面以兩同軸平行圓盤為例計(jì)算其角系數(shù)，如圖22所示。由式(26)可知，所以黑體面和之間的角系數(shù)為： (27)式中 ； ； ； ；代入式(27)得： (28)式(28)即為兩同軸平行圓盤間的角系數(shù)表達(dá)式。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。輻射能力的大小與物體的溫度，物體材料的輻射系數(shù)有關(guān)。單位面積黑體在半球方向、單位時(shí)間的輻射通量(單色輻射度)由普朗克公式給出： (29)式中 ——物體的輻射波長； ——物體絕對(duì)溫度； 、——第一與第二輻射常數(shù)，它們的值為： ； 。圖23 在不同溫度下與波長的關(guān)系由此曲線我們可以明確的看出黑體的輻射特性：1. 黑體的輻射特性與黑體的絕對(duì)溫度和波長有關(guān)，黑體的輻射亮度與角度無關(guān)，同時(shí)黑體輻射是非偏振的。3. 各條曲線彼此不相交，因此溫度越高，在所有波長上的光譜輻射出射度也越大。4. 每條曲線的峰值所對(duì)應(yīng)的波長叫做峰值波長記為。5. 黑體的輻射特性只與黑體的絕對(duì)溫度有關(guān)。通過對(duì)普朗克公式進(jìn)行全波長范圍內(nèi)的積分，可以得到黑體全輻射出射度，稱為斯蒂芬—玻爾茲曼定律。該式說明黑體全輻射出射度與其絕對(duì)溫度的四次方成正比，所以又稱為四次方定律。以上討論的普朗克定律是表示理想黑體的輻射情況，而在自然界中一般物體的實(shí)際表面單色輻射出射度總是比同溫度條件下對(duì)應(yīng)波長的黑體單色輻射出射度小，其比值稱為單色發(fā)射率。由此可得到灰體的普朗克公式為： (213)對(duì)于實(shí)際物體的表面輻射特性，可以近似為灰體的輻射，事實(shí)上，在自然界中并不存在灰體，但是這種將實(shí)際物體表面的輻射特性假設(shè)為灰體的方法大大簡化了熱輻射的分析和計(jì)算，而且在許多情況下不會(huì)引起較大誤差。下面對(duì)這些方法簡要的介紹[16]。對(duì)于實(shí)際測量時(shí)，由于溫度源非絕對(duì)黑體，而是灰體，其測量所得全輻射出射度表示為 (215)式中：——所有波長的實(shí)際物體的總發(fā)射率。測量的溫度與實(shí)際溫度的關(guān)系式為 (216)式中——實(shí)際物體真實(shí)溫度(K)；——實(shí)際物體的輻射溫度(K)。由此可知，該方法的測量準(zhǔn)確性在于實(shí)際物體的總發(fā)射率的標(biāo)定，在已知條件下，根據(jù)上式可以通過測量實(shí)際物體的輻射溫度計(jì)算出實(shí)際溫度。在已知條件下，可以通過測量實(shí)際物體的輻射溫度計(jì)算出實(shí)際溫度。 亮度測溫法（單色輻射測溫法）亮度測溫法是根據(jù)灰體的單色輻射出射度原理設(shè)計(jì)的。在常用的溫度與波長范圍內(nèi)，式(34)可以用維恩公式表示為 (218)式中 ——測得的亮度溫度；——真實(shí)溫度；——第二輻射常數(shù)。但是在實(shí)際測量中，由于，則，所以物體的亮度溫度。亮度測溫法，由于其靈敏度較高，而且結(jié)構(gòu)簡單，是目前應(yīng)用較廣泛的輻射測溫方法，但是溫度源的單色發(fā)射率的值決定于材料的性質(zhì)、表面形狀、測量距離、測量溫度以及所選光的波長，因此，在實(shí)際應(yīng)用中很難精確得到的值，以此影響到實(shí)際測溫的精度。根據(jù)普朗克公式，在3000K，并且較小(μm)時(shí)，有維恩近似成立：