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基于比色法的光纖輻射測溫儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)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(lǐng)域的。該儀器包括光學(xué)系統(tǒng)和電路系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)由透鏡組鏡頭連接大功率Y型傳能光纖組成；電路系統(tǒng)采用信號(hào)雙通道處理，包括光電探測器、預(yù)處理模塊、前置放大器、AD采樣模塊、信號(hào)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(hào)分為兩路傳遞到相應(yīng)的光電探測器上把光信號(hào)轉(zhuǎn)成電流信號(hào)，經(jīng)過預(yù)處理與前置放大模塊轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過電信號(hào)由AD采樣，信號(hào)處理模塊采用曲線擬合算法分析得到的采樣信號(hào)，通過標(biāo)定計(jì)算出相應(yīng)的溫度值，通過交互模塊進(jìn)一步改進(jìn)差數(shù)設(shè)置。本發(fā)明的基于比色法的光纖輻射測溫儀結(jié)構(gòu)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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)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(shù)】
[0002]接觸式測量的方法，特別是熱電偶是高溫測量領(lǐng)域的傳統(tǒng)測量方法。但其存在抗腐蝕能力差，壽命短，消耗大，價(jià)格高，溫度上限多在1800°C以下等缺點(diǎn)。
[0003]運(yùn)用非接觸方法的輻射測溫儀是高溫測量領(lǐng)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(yīng)的溫度，測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對(duì)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(tǒng)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(yīng)溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并對(duì)相應(yīng)材料的發(fā)射率進(jìn)行修正，從而推算出相應(yīng)的溫度，但是它容易受到外部環(huán)境干擾，影響精確度。比色測溫是對(duì)輻射測溫的一種方法上的優(yōu)化，對(duì)目標(biāo)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(duì)測量準(zhǔn)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(nèi)的系統(tǒng)精度達(dá)到
0.5%測量值，重復(fù)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(xué)鏡頭以及復(fù)雜的光信號(hào)處理裝置，因而難以做成結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉的測量儀器。
[0005]大多數(shù)的輻射測溫儀作為一種基于光電精密測溫的技術(shù)，所采用的光電探測器是精密測溫技術(shù)中的關(guān)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(yīng)用中要求幾百伏至幾千伏的高壓，而且光譜響應(yīng)都在可見光至近紅外范圍內(nèi)。后來，一些重量輕、體積小的光電探測器陸續(xù)出現(xiàn)。而且在穩(wěn)定性、靈敏度、光譜響應(yīng)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(yīng)用中占據(jù)了不可替代的位置。市場上多種型號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)封裝的光電探測器為進(jìn)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(shù)輻射測溫儀采用直筒型結(jié)構(gòu)，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(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)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(jié)合應(yīng)用，這會(huì)為提高精度，簡化測溫儀復(fù)雜度提供了便利。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)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(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0009]基于比色法的光纖輻射測溫儀，包括光學(xué)系統(tǒng)和電路系統(tǒng)，其特征在于:所述光學(xué)系統(tǒng)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(tǒng)采用信號(hào)雙通道處理，包括光電探測器、預(yù)處理模塊、前置放大器、AD采樣模塊、信號(hào)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(yù)處理模塊、前置放大器、AD采樣模塊和信號(hào)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(hào)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(gè)不同的光電探測器的輸入端。
[0010]所述兩個(gè)不同的光電探測器為標(biāo)準(zhǔn)FC/PC封裝的InGaAs光電二極管及Si光電二極管。
[0011 ] 所述預(yù)處理模塊采用對(duì)數(shù)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(hù)鎧中。
[0013]進(jìn)一步地，所述信息交互模塊采用USB接口或者電流環(huán)模式。
[0014]本發(fā)明的基于比色法的光纖輻射測溫儀結(jié)構(gòu)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(nèi)保證進(jìn)光量相當(dāng)，采用標(biāo)準(zhǔn)接口可以直接插撥，重復(fù)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(yùn)用金屬鎧進(jìn)行保護(hù)，使之有抗強(qiáng)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(yīng)不同環(huán)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(yuǎn)離爐體高溫源減少干擾，保證了長期在線工作的穩(wěn)定性；(4)采用兩種不同型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合使用實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)比色法測溫，相比于傳統(tǒng)的輻射測溫儀減少了外界因素的影響；(5)預(yù)處理模塊采用對(duì)數(shù)放大器，其精度高，同時(shí)以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比操作；(6)電路系統(tǒng)電路高度集成可方便的安裝在晶體爐控制臺(tái)上面，同時(shí)USB接口等交互設(shè)置，進(jìn)一步方便操作者實(shí)施觀察，數(shù)據(jù)數(shù)字化處理等。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明基于比色法的光纖輻射測溫儀的系統(tǒng)框圖；
[0016]圖2是本發(fā)明基于比色法的光纖輻射測溫儀的結(jié)構(gòu)圖，1-透鏡組鏡頭，2-大功率Y型傳能光纖，3-電路系統(tǒng)。

【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0018]如圖1，本發(fā)明裝置中光學(xué)系統(tǒng)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(tǒng)3由光電探測器、預(yù)處理模塊、前置放大模塊、AD采樣模塊、信號(hào)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(xué)系統(tǒng)與電路系統(tǒng)相互獨(dú)立，整個(gè)電路系統(tǒng)可置于電子盒中，能較好的避免測溫現(xiàn)場環(huán)境對(duì)儀器電路部分測溫時(shí)干擾，遠(yuǎn)離高溫源，提高系統(tǒng)使用壽命。光電探測器采用標(biāo)準(zhǔn)FC/PC封裝的InGaAs和Si兩種光電二極管，結(jié)合前端Y型光纖達(dá)到兩個(gè)波段的選取。信號(hào)雙通道處理，進(jìn)入電路系統(tǒng)，避免相互干擾。預(yù)處理模塊采用對(duì)數(shù)放大器來處理微弱信號(hào)，可以感應(yīng)到PA級(jí)別弱小電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比處理實(shí)現(xiàn)比色法基本原理要求，由于對(duì)數(shù)放大器靈敏度很高可較好的提高精度。前置放大器將預(yù)處理電壓調(diào)節(jié)至相應(yīng)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(hào)。交互模塊采用USB和電流環(huán)可以實(shí)時(shí)發(fā)送信息至電腦；圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]結(jié)合圖1與圖2具體說明實(shí)際測量時(shí)的實(shí)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(guān)，爐內(nèi)的熱輻射能量就通過透鏡組鏡頭匯聚到Y(jié)型傳能光纖前端端面上，經(jīng)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(hào)的光電探測器，分別對(duì)400到I 10nm和900到1700nm兩個(gè)不同波段的光能產(chǎn)生相應(yīng)電流，Y型傳能光纖加裝于由不銹鋼金屬軟管制成的保護(hù)鎧中，可彎曲而不折斷、同時(shí)進(jìn)一步減少了外圍電磁環(huán)境的影響；電流信號(hào)為雙通道處理經(jīng)過預(yù)處理模塊進(jìn)行比運(yùn)算，同時(shí)ΙΛ轉(zhuǎn)換；預(yù)處理后信號(hào)進(jìn)一步有前置放大器調(diào)節(jié)放大，使其適于AD采樣；調(diào)節(jié)后的信號(hào)由AD采樣模塊進(jìn)行高精度地采樣；AD采樣后，數(shù)字信號(hào)傳輸入信號(hào)處理模塊，信息處理模塊通過采用分段擬合對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分析處理，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度值；相應(yīng)溫度值通過顯示模塊輸出；同時(shí)信號(hào)處理模塊可將相應(yīng)數(shù)據(jù)值通過信息交互模塊運(yùn)用USB/電流環(huán)等方式傳輸?shù)诫娔X上，通過相應(yīng)軟件讀出，方便監(jiān)測，同時(shí)方便參數(shù)的修正與完善；在不同測量情況下，可以通過按鍵模塊對(duì)信號(hào)處理模塊中使用的參數(shù)進(jìn)行選擇與適當(dāng)修改，方便適應(yīng)情況的精確測量。
【權(quán)利要求】
1.基于比色法的光纖輻射測溫儀，包括光學(xué)系統(tǒng)和電路系統(tǒng)，其特征在于:所述光學(xué)系統(tǒng)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(tǒng)采用信號(hào)雙通道處理，包括光電探測器、預(yù)處理模塊、前置放大器、AD采樣模塊、信號(hào)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(yù)處理模塊、前置放大器、AD采樣模塊和信號(hào)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(hào)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(gè)不同的光電探測器的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)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(gè)不同的光電探測器為標(biāo)準(zhǔn)FC/PC封裝的InGaAs光電二極管及Si光電二極管。
3.根據(jù)權(quán)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(yù)處理模塊采用對(duì)數(shù)放大器。
4.根據(jù)權(quán)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(hù)鎧中。
5.根據(jù)權(quán)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(huán)模式。
【文檔編號(hào)】G01J5/60GK104330170SQ201410561766
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】王鳴, 黃浩斐, 夏偉科, 王凱, 王明慧, 胡章中, 馬鑫 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)