基于比色法的光纖輻射測溫儀的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于比色法的光纖輻射測溫儀，屬于高溫測量領域的。該儀器包括光學系統和電路系統，光學系統由透鏡組鏡頭連接大功率Y型傳能光纖組成；電路系統采用信號雙通道處理，包括光電探測器、預處理模塊、前置放大器、AD采樣模塊、信號處理模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊及信息交互模塊。通過Y型傳能光纖將信號分為兩路傳遞到相應的光電探測器上把光信號轉成電流信號，經過預處理與前置放大模塊轉換為電壓信號，通過電信號由AD采樣，信號處理模塊采用曲線擬合算法分析得到的采樣信號，通過標定計算出相應的溫度值，通過交互模塊進一步改進差數設置。本發明的基于比色法的光纖輻射測溫儀結構很適用于晶體爐熱場的測量。
【專利說明】基于比色法的光纖輻射測溫儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及晶體爐熱場測量儀器，具體地涉及一種測量晶體爐熱場的基于比色法的光纖輻射測溫儀。
【背景技術】
[0002]接觸式測量的方法，特別是熱電偶是高溫測量領域的傳統測量方法。但其存在抗腐蝕能力差，壽命短，消耗大，價格高，溫度上限多在1800°C以下等缺點。
[0003]運用非接觸方法的輻射測溫儀是高溫測量領域的另一常用方法。輻射測溫儀憑借非接觸測量紅外熱輻射的能量來推算相應的溫度，測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒有限制，可適用于1800°C以上溫度范圍的測量。傳統的輻射測溫儀基于黑體輻射的基本定律，測得特定波段的輻射能量與相應溫度的對應關系，并對相應材料的發射率進行修正，從而推算出相應的溫度，但是它容易受到外部環境干擾，影響精確度。比色測溫是對輻射測溫的一種方法上的優化，對目標物體通過某兩波長處輻射亮度之比來確定溫度?？梢詼p小水汽、煙塵、距離等使輻射衰減的因素對測量準確性的影響。
[0004]德國DASI的56系列紅外測溫儀，在500°C到3300°C的范圍內的系統精度達到
0.5%測量值，重復精度為0.1 %，溫度分辨率為0.1°C。但是這些儀器需要精密的光學鏡頭以及復雜的光信號處理裝置，因而難以做成結構緊湊，價格低廉的測量儀器。
[0005]大多數的輻射測溫儀作為一種基于光電精密測溫的技術，所采用的光電探測器是精密測溫技術中的關鍵元件。最早期的光電元件多為光電倍增管和光電管，這類電真空器件應用中要求幾百伏至幾千伏的高壓，而且光譜響應都在可見光至近紅外范圍內。后來，一些重量輕、體積小的光電探測器陸續出現。而且在穩定性、靈敏度、光譜響應范圍、通帶寬度等方面都有很大的提高和改善，并很快在工程應用中占據了不可替代的位置。市場上多種型號、標準封裝的光電探測器為進一步提高測量儀器緊湊性、提高精確度提供了便利。
[0006]如今多數輻射測溫儀采用直筒型結構，不易于觀察。大功率的Y型傳能光纖過去由于不易制作而很少采用，隨著技術的進步，現在已經能獲得分路效果較好的大功率Y型傳能光纖。如果能將Y型傳能與光電探測器結合應用，這會為提高精度，簡化測溫儀復雜度提供了便利。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種基于比色法的光纖輻射測溫儀，該儀器是一種能夠檢測超高溫的測量儀器。
[0008]本發明為解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0009]基于比色法的光纖輻射測溫儀，包括光學系統和電路系統，其特征在于:所述光學系統由透鏡組鏡頭連接大功率Y型傳能光纖組成；所述電路系統采用信號雙通道處理，包括光電探測器、預處理模塊、前置放大器、AD采樣模塊、信號處理模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊及信息交互模塊，其中，所述光電探測器、預處理模塊、前置放大器、AD采樣模塊和信號處理模塊依次連接，所述顯示模塊、按鍵輸入、信息交互模塊分別與所述信號處理模塊連接；所述Y型傳能光纖的輸出端分別連接到兩個不同的光電探測器的輸入端。
[0010]所述兩個不同的光電探測器為標準FC/PC封裝的InGaAs光電二極管及Si光電二極管。
[0011 ] 所述預處理模塊采用對數放大器。
[0012]所述Y型傳能光纖加裝于由不銹鋼金屬軟管制成的保護鎧中。
[0013]進一步地，所述信息交互模塊采用USB接口或者電流環模式。
[0014]本發明的基于比色法的光纖輻射測溫儀結構很適用于晶體爐熱場的測量，具有以下有益效果:(1)使用透鏡組鏡頭，能在一定范圍內保證進光量相當，采用標準接口可以直接插撥，重復性和互換性好；(2)采用大功率Y型傳能光纖，纖芯直徑600 μ m能量傳輸損耗低，后端兩路分支偏差小，相比于普通光纖耦合器，大功率Y型傳能光纖可以更好地傳輸鏡頭所獲得光能量，提高儀器精度，在Y型傳能光纖外部運用金屬鎧進行保護，使之有抗強壓抗拉伸功能，具有撓性，改善了普通光纖易折的問題，能更好的適應不同環境。(3)相比于常見的輻射測溫儀，光纖本身具有抗電磁干擾能力，采用Y型光纖，通過光纖的連接使主體電路一定程度遠離爐體高溫源減少干擾，保證了長期在線工作的穩定性；(4)采用兩種不同型號的標準FC/PC封裝的光電二極管作為光電探測器，通過與Y型光纖結合使用實現不同波段的選取，減少了濾波片的使用，使得整體更加緊湊，小型化，實現比色法測溫，相比于傳統的輻射測溫儀減少了外界因素的影響；(5)預處理模塊采用對數放大器，其精度高，同時以對輸入信號進行比操作；(6)電路系統電路高度集成可方便的安裝在晶體爐控制臺上面，同時USB接口等交互設置，進一步方便操作者實施觀察，數據數字化處理等。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明基于比色法的光纖輻射測溫儀的系統框圖；
[0016]圖2是本發明基于比色法的光纖輻射測溫儀的結構圖，1-透鏡組鏡頭，2-大功率Y型傳能光纖，3-電路系統。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0018]如圖1，本發明裝置中光學系統由透鏡組鏡頭I和傳能光纖2組成，其中透鏡組鏡頭I前端直徑為25臟，視場角28° X40°，耦合波長范圍350nm?2000nm，Y型傳能光纖2采用的是纖芯為600 μ m的石英光纖，兩路分支偏差小于5% ;電路系統3由光電探測器、預處理模塊、前置放大模塊、AD采樣模塊、信號處理模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊及信息交互模塊組成。光學系統與電路系統相互獨立，整個電路系統可置于電子盒中，能較好的避免測溫現場環境對儀器電路部分測溫時干擾，遠離高溫源，提高系統使用壽命。光電探測器采用標準FC/PC封裝的InGaAs和Si兩種光電二極管，結合前端Y型光纖達到兩個波段的選取。信號雙通道處理，進入電路系統，避免相互干擾。預處理模塊采用對數放大器來處理微弱信號，可以感應到PA級別弱小電流信號，轉換為電壓信號，對輸入信號進行比處理實現比色法基本原理要求，由于對數放大器靈敏度很高可較好的提高精度。前置放大器將預處理電壓調節至相應AD采樣可取值范圍。AD采樣模塊采用的是24位高精度的采樣芯片，在工作中可以精確采樣得到的模擬信號。交互模塊采用USB和電流環可以實時發送信息至電腦；圖2是本發明的結構示意圖。
[0019]結合圖1與圖2具體說明實際測量時的實施方法。首先把透鏡組鏡頭通過簡易支架安裝到晶體爐的觀察孔上，打開觀察孔上的開關，爐內的熱輻射能量就通過透鏡組鏡頭匯聚到Y型傳能光纖前端端面上，經過Y型光纖分為兩路相近的能量束；Y型傳能光纖尾端與光電探測器相連，兩種不同信號的光電探測器，分別對400到I 10nm和900到1700nm兩個不同波段的光能產生相應電流，Y型傳能光纖加裝于由不銹鋼金屬軟管制成的保護鎧中，可彎曲而不折斷、同時進一步減少了外圍電磁環境的影響；電流信號為雙通道處理經過預處理模塊進行比運算，同時ΙΛ轉換；預處理后信號進一步有前置放大器調節放大，使其適于AD采樣；調節后的信號由AD采樣模塊進行高精度地采樣；AD采樣后，數字信號傳輸入信號處理模塊，信息處理模塊通過采用分段擬合對輸入信號進行分析處理，計算出對應的溫度值；相應溫度值通過顯示模塊輸出；同時信號處理模塊可將相應數據值通過信息交互模塊運用USB/電流環等方式傳輸到電腦上，通過相應軟件讀出，方便監測，同時方便參數的修正與完善；在不同測量情況下，可以通過按鍵模塊對信號處理模塊中使用的參數進行選擇與適當修改，方便適應情況的精確測量。
【權利要求】
1.基于比色法的光纖輻射測溫儀，包括光學系統和電路系統，其特征在于:所述光學系統由透鏡組鏡頭連接大功率Y型傳能光纖組成；所述電路系統采用信號雙通道處理，包括光電探測器、預處理模塊、前置放大器、AD采樣模塊、信號處理模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊及信息交互模塊，其中，所述光電探測器、預處理模塊、前置放大器、AD采樣模塊和信號處理模塊依次連接，所述顯示模塊、按鍵輸入、信息交互模塊分別與所述信號處理模塊連接；所述Y型傳能光纖的輸出端分別連接到兩個不同的光電探測器的輸入端。
2.根據權利要求1所述的基于比色法的光纖輻射測溫儀，其特征在于，所述兩個不同的光電探測器為標準FC/PC封裝的InGaAs光電二極管及Si光電二極管。
3.根據權利要求1所述的基于比色法的光纖輻射測溫儀，其特征在于，所述預處理模塊采用對數放大器。
4.根據權利要求1所述的基于比色法的光纖輻射測溫儀，其特征在于，所述Y型傳能光纖加裝于由不銹鋼金屬軟管制成的保護鎧中。
5.根據權利要求1至4之一所述的基于比色法的光纖輻射測溫儀，其特征在于，所述信息交互模塊采用USB接口或者電流環模式。
【文檔編號】G01J5/60GK104330170SQ201410561766
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月21日 優先權日:2014年10月21日
【發明者】王鳴, 黃浩斐, 夏偉科, 王凱, 王明慧, 胡章中, 馬鑫 申請人:南京師范大學
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