基于虚拟仪器技术的辐射式光纤测温系统的研究(3)

针对上述问题，本课题拟立足国内现状，寻找一种经济、可靠、准确且能重复使用的辐射式光纤测温系统，使其从整体上达到工业生产的要求。

该课题的研制成功将在冶金、建材、机械、化工等行业的被测体温度的测量与在线控制中有着广泛应用前景，对产品质量保证与控制有重要意义。例如炼钢炉的炉温测量、玻璃熔窑窑口及控制过程中的温度测量，高频焊接的温度在线测量与控制，连铸的温度分布测量，高频加热工件表面温度测量与控制，以及机床导轨高频淬火的温度测量等，都体现出该高温测量仪器的应用价值与前景，尤其在不可视构件内部的温度测量应用中，更显示出光纤作集光和信号传输的独到优势。而且对提高产品质量，减少废品率，节约能源和原材料，降低成本，提高劳动生产率具有显著的经济效益和社会效益。 5

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1.4 课题研究的主要内容

本课题研究主要完成了一种新型辐射式光纤测温系统的理论研究和设计，这种辐射式光纤测温系统采用接触—非接触测量技术与双波长比色测温的方法相结合，克服了目前投入应用的亮度式光纤温度仪易受发射率、周围环境、器件老化、光纤传输光强损耗等因素的影响。针对目前光纤辐射式测温仪的低温测量效果较差，温度测量范围窄的缺陷，提出采用Si和InGaAs倒焊对接的光电探测器和滤光片自动选择系统，有效地扩大了测温范围和测温精度。本论文的主要内容包括：

第一章简单介绍了温度测量在工业中的重要性以及光纤测温系统的发展过程和国内外研究现状。介绍了目前国内外温度测量仪的种类，通过对比，重点介绍了接触式测温系统和非接触式测温系统的特点，提出采用接触式与非接触式相结合的比色测温方案。

第二章首先介绍了光纤辐射测温的分类，详细分析了黑体辐射换热的基本原理以及双波长光纤辐射测温的基本原理，然后介绍了辐射测温的几种基本方法，其中包括：全辐射式温度测量法，亮度测温法（单色辐射测温法），双波长辐射测温法（比色测温法）以及多波长辐射测温法。

第三章详细介绍了黑体辐射式光纤测温系统的各部分组成，对黑体腔探头，接收探头、多模光纤、耦合器、滤光片、光电探测器以及信号处理等各部分性能、结构进行了介绍和讨论。并通过综合考虑影响测量的各种因素，在理论上确定出比色式测温的两波长及带宽，确保了整个系统具有最高的探测精度。

第四章对双波段光纤比色辐射测温仪的实验系统进行了详细介绍。对测温系统进行了静态实验，通过与理论上的对比，表明采用比色法测量静态温达到了很好的效果。

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第2章 黑体辐射式光纤测温的机理

第2章 黑体辐射式光纤测温的机理

2.1 概论

任何物体只要其本身及其周围的温度不是绝对零度，物体本身就向周围辐射热量，当它与周围的温度相等时，辐射热过程处于动平衡状态。这是由于物体内部的带电粒子随着温度的升高而被激励放射出不同波长的电磁波，把热能以电磁波方式向外辐射。物体的温度越高，粒子被激励的越强烈，辐射的能量就越大。带电粒子运动频率不同，其电磁波的波谱不同。一般认为，小于0.4 μm波长的为紫外线，波长更短的为 射线，0.4 μm至0.76 μm为可见光，大于0.76 μm的为红外线，其中0.76～3 μm的为近红外线，3～6 μm的为中红外线，6～20 μm的为中远红外线，20～1000 μm的为远红外线。在温度测量中，通常应用的是可见光区与0.76～20 μm的红外光区，因为它是载热体，故又称为热射线，光与热射线都可视为电磁波，可见光的特性与规律都适于热射线。

光纤辐射温度测量仪可以按照应用的波长特性将其分类。把利用红外波段进行测温的仪表统称为红外测温仪。若仪器只根据某一个特征波段上的辐射而测温，则得到的是物体的亮温度Tl；若仪器根据两个或更多的特征波段上的辐射而测温，则所得到的是物体的色温度Ts；根据所有波长范围内的总辐射而测温，所得到的是物体的全辐射温度Tr[14]。

绝大多数被测物体不是黑体，测温仪测得的辐射能不仅与物体的温度有关，还与发射率有关。此外，物体发射出的辐射能在到达探测器的过程中，还有各种因素造成的损失。因此测温仪接收到的辐射能并不真正是仅由物体表面温度决定的辐射能。无论是亮温度、色温度或者辐射温度，它们都不是物体表面的真实温度，即使经过大气传输因子等修正后，它们与物体表面的真实温度T之间仍存在差异。用辐射测温仪直接读取真实温度目前尚存在很多的困难，多数测温仪所能测取的温度依然是亮温度和色温度。所以，本课题的研究目的是得到最接近真实温度的测量方法和系统。

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2.2 热辐射原理

2.2.1 黑体辐射换热原理

两黑体面接近时，存在着相互辐射以及物体间的能量交换，如图2-1所示。两个任意布置的黑体表面Ⅰ和Ⅱ组成一个辐射系统，两表面之间的介质对热辐射透明，其面积和温度分别为A1、T1和A2、T2，n1、n2为两个表面的法线方向， 1、 2为辐射方向与各自法线方向的夹角，r为两表面间的距离，系统中两个表面的辐射能都有一部分到达另一表面，其余部分辐射到系统以外空间。

图2-1 任意放置的两黑体的几何关系

图2-1中，微元面dA1投射到dA2的辐射能dQ12，微元面dA2投射到dA1的辐射能dQ21分别可表示为：

dQ12

dQ21 1Mb1dA1cos 1d 1 (2-1) Mb2dA2cos 2d 2 (2-2) 1

式中 Mbi——黑体表面辐射出射度；

dAcos dAcos d i——微元立体角，且d 1 2

22，d 2 1

21，代入上rr

式可得：

cos 1cos 2dQ12 Mb1dA1dA2 (2-3) r2

cos 1cos 2dQ21 Mb2dA1dA2 (2-4) 2 r

因此，微元面积dA1和dA2之间的辐射交换能量为

cos 1cos 2dA1dA2 dQ1 2 dQ12 dQ21 (Mb1 Mb2)2 r

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第2章 黑体辐射式光纤测温的机理

(T1 T2)44cos 1cos 2dA1dA2 (2-5) 2 r

由式(2-5)可知，任意放置的两微元黑体表面间的辐射交换能量不仅与两者的温度有关，还与两表面的大小、相互位置以及距离等几何因素有关。因此可应用辐射换热角系数(简称角系数)来表示或计算几何因素的影响，其定义为：从表面1辐射出来到达表面2的能量与表面1辐射出来的全部能量之比称为表面1对表面2的角系数，用符号F12表示。当表面1的辐射能量全部到达表面2时F12=1，一般F12<1。按此定义，则上述微元面dA1对dA2的角系数为

d2FdA1 dA2 dQ12 Mb1dA1Mb1cos 1cos 2dA1dA22cos 1cos 2 dA2 (2-6) Mb1dA1 r2

由于角系数的值与两黑体表面的大小、位置、距离等几何因素相关，所以对于由不同黑体表面组成的辐射换热系统，其角系数存在差异，下面以两同轴平行圆盘为例计算其角系数，如图2-2所示。

图2-2 两同轴平行圆盘间的角系数

图2-2中，黑体面Ⅰ的半径为R1，黑体面Ⅱ的半径为R2，二者之间垂直距离为H，在黑体面Ⅰ上取一微元面积dA1，其位置由r1和 1确定，在黑体面Ⅱ上取微元面积dA2，其位置由r2和 2确定，二者之间连线长度用S表示。由式(2-6)可知，所以黑体面A1和A2之间的角系数为：

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