基于虚拟仪器技术的辐射式光纤测温系统的研究(2)

(1)对温度测量技术水平的要求更高。要求测量误差小，分辨率高，测量速度快，测量出温度轮廓和温度区域，测量范围扩大等。

(2)对温度测量技术应用范围的扩大。温度测量技术不断扩展到原来无法测量的新对象和不能采用原有方法的环境中的测量。新的测量对象包括：①以超高温及极低温为主的极限温度；②易被测量影响且热容量小的物体和微小物体；③从外部无法进行的内部温度测量，如火焰、钢水、铝液、钢液等温度测量。需要采用新方法测量的环境有①传感器、测量仪器易受损坏的腐蚀性环境；②高温、低温、高压、高磁场等极限环境；③易造成信号干扰的高频电磁场、高振动场等环境等。

为了适应发展的需要，科技人员进行了大量的研究，应用各种新材料和新加工技术，采用不同原理和新方法，研制出很多类型的温度传感器和测温系统，针对中、高温测量的传感器主要有：接触式测温的热电偶、热电阻传感器、非接触测温的光学辐射温度仪和光纤温度传感器。

热电偶、热电阻传感器的测温技术比较成熟，测温范围广，便于远距离测量且结构简单，因而应用较为广泛。但由于其测量系统的信号输送全为电量，易受外界电磁场的干扰和影响；无法实现多个传感器温度信号的融合和分布式测量；同时，制成传感器的导体是金属，易受腐蚀，故使用寿命受到限制[3,4]。

与此有所区别，光纤传感技术集传感和信息传输于一体，具有灵敏度高、响应速度快、动态范围大、抗电磁干扰、易于实现分布式测量等优点，还适 1

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用于远距离遥测。光纤技术已经从通信领域发展到了传感器领域。光纤通信技术已经进入大规模实用化的阶段，传感器技术发展滞后于光纤通信技术的发展，但某些类型的传感器目前也已进入市场。国内目前也有很多大学和研究所，研制出各种各样的光纤传感器。由于其本身具有许多优异特性，光纤传感器在问世后就得到了广泛的研究和应用。

在光纤温度传感器方面，已经研制或正在研制中的光导纤维传感器分为两类：一类利用光纤本身具有的某种温度敏感功能而使光纤起温度测量的作用，属于功能型；另一类是光纤仅仅起传输光波的作用，必须在光纤端面或两根光纤中间加装其它温度敏感元件才能构成新型传感器，这种属传输型。

传输型光纤传感器的种类非常多，有利用热电阻、热电偶的光电混合型，有光路遮断型，有利用敏感元件的透射率、光强、发光时间、反射率、相位进行检测的透光或发光型传感器，有利用辐射法的光纤探头型传感器。本论文研究的是光纤比色辐射测温系统，光纤在其中主要起接收和传光作用。

根据传感头的测温方式，光纤辐射温度计分为接触式和非接触式两种。 黑体腔型接触式光纤测温的特点是光纤温度计的探头(黑体腔)要与被测物体良好热接触，使两者达到热平衡。虽然为提高空间分辨率而将探头做得很小，但往往仍会破坏被测物体的热平衡状态，并受到被测物质的腐蚀。所以此法对黑体腔的性能、结构要求很苛刻，而且系统的测温上限取决于探头的耐热特性，但此法测温准确度较高。对于接触式光纤高温计，主要采用蓝宝石光纤作为探头，由于国内生产的这种光纤长度达不到工业应用中的50cm的要求、一致性较差，主要靠国外进口，因此测量系统成本较高是限制其广泛应用的原因之一[5-8]。

由于辐射测温是离开被测物体一定距离来进行测量的，故被称作非接触测量。非接触式测量特点是使光纤温度计不与物体发生接触，而是利用透镜接收物体表面的热辐射。非接触式测温方法不改变被测物体的温度分布，且有热辐射速度快、探测元件热惯性小等优点，从而可以快速测量。从原理上讲，这种方法测温无上限。同时由于传感头不与高温物体接触，不易烧坏，整个系统用光纤进行传感和传输光信号，受电磁干扰少。但是由于受到环境因素影响较大和光纤对传输光强的吸收损耗，导致非接触式测温准确度往往要低于接触法测温系统。因此，辐射测温具有很多接触测温无法实现的优点， 2

第1章 绪论

但是它也存在许多不足。光学辐射温度仪最主要的缺陷是精度不高，虽然其测温范围广，但是测量精度尚有待得到进一步的提高，而依靠原有的方法是不可行的，必须与新技术、新方法相结合，从整体上达到工业生产的要求。本论文采用接触—非接触测量技术，结合两种测温方式的优点，形成了一种新型的传感器探头。

1.2 国内外研究现状

光纤测温技术是仪器仪表领域重要发展方向之一，光纤测温系统的使用极大地满足了诸多工业应用及科研领域的要求。目前，国内外已经研制的各种光纤温度计有：荧光温度计、半导体光吸收温度计、液体光纤温度计、双金属片温度计、光纤辐射温度计、光纤扫描温度计等。

国际上早在七十年代中期就已经开始了对光纤测温系统的研究，在光纤温度传感器的研究方面，国外光纤高温传感器已可探测2000 ℃的温度，其灵敏度达到±1 ℃。用于低温范围的光纤温度传感器，可测0.1 ℃的变化。日本松下电器公司已经成功研制出光纤温度计、高精度光纤测温仪（测量精度±0.05 ℃）；日本LEN公司研制的红外光纤温度计等早已成功打入市场；英国Land公司成功研制了红外辐射温度传感器，并配有LANPAEK信息处理器；美国试用中的单晶蓝宝石光纤温度计可测量2000 ℃的高温，其精度比热电偶高10倍；加拿大北方电讯公司生产的以测量转折频率为原理的系列光纤测温仪，也于近年进入市场。与国内同类光纤测温系统相比，国外光纤测温系统的性能较好，已经形成系列产品，但其价格相对较高。

我国光纤测温技术的研究起步相对晚一些，但发展也很迅速。很多科研单位相继展开了这方面的研究。近年来在国内兴起的光纤温度测量系统，更是因其优异的抗干扰性能和安全性能而在高压领域独树一帜。北京钢铁学院研制成功的HT-Y3多模光纤温度测量仪有便携式、台式共22种系列产品投放市场，其温度测量范围800～1800 ℃，精度达±1%，经20多个钢铁厂在恶劣环境中使用，反映性能稳定可靠；上海市光纤通信工程公司研制的光纤测温报警仪已可小批量生产；武汉理工学院采用接触—非接触式的新方法，研制出的光纤高温计在武钢进行了多次试验；清华大学和西安光机所也已研制出高温型光纤测温仪。西安交通大学检测技术及自动化教研室也早在1997 3

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年就已开始了光纤温度传感器的研究工作，并取得了可喜的成果。另外，多波长测量方面，哈尔滨工业大学已开始尝试多波长辐射理论的研究与实验；宝钢也研制出SCH-WHBG型智能红外三色测温仪，其测温范围300～1800 ℃[9,10]。

纵观我国光纤测温技术的开发现状，光纤温度传感器的研究在理论上已很成熟，但从总体水平而论尚处在产品化阶段。目前国内光纤温度传感器普遍存在工作不稳定的问题，半导体吸收式光纤传感器更是如此，这种强度调制型光纤传感器使用光纤作为传感器的传光媒介，很容易受到其他环境因素的干扰，例如光纤的弯曲。光源的不稳定性是影响强度调制型光纤传感器测量结果最重要的因素，除此之外还有探测器的噪音和温度漂移，以及温度传感头在温度场中形变因素对光信号的影响。围绕这些不稳定因素，国内外都展开了深入的研究，不断研究新的消噪方法，还提出了一些更具稳定性的补偿方法，这些方法对提高大多数光纤测温系统的稳定性有很大帮助。其中针对光路信号补偿方法研究得最多，这种补偿方法对消除光路 …… 此处隐藏：2710字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……