消耗型光纖高溫測量儀的研究

　　1 引言

　　在航天、材料、能源、化工、冶金等領(lǐng)域中，高溫測量占有及其重要的地位。目前，在高溫測量中，根據(jù)測量探頭是否與被測對象接觸，測溫儀器分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式測溫是感溫元件直接與被測對象接觸，感受其溫度，如熱電偶測溫儀，優(yōu)點(diǎn)是測溫可靠，缺點(diǎn)是采用貴金屬，價(jià)格昂貴，抗氧化、還原能力和抗電磁干擾能力都較差，且壽命較短[1]。非接觸式測溫不需與被測對象直接接觸，通過接收被測對象所輻射的電磁波進(jìn)行測量，優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快、壽命長、非消耗型，易實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量，但受被測對象的發(fā)射率和測量環(huán)境的因素影響大，抗干擾性差，且其在研制過程中涉及到非黑體輻射系數(shù)的難題[2]，使其推廣應(yīng)用受到一定的限制。近年來，又提出了“接觸-非接觸”的測溫方法，但始終無法克服輻射系數(shù)的確定這個(gè)難題。

　　隨著光纖技術(shù)的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)接觸式測溫提供了條件。接觸式光纖測溫即采用一根長的石英光纖作為測溫探頭與傳輸系統(tǒng)，使儀器遠(yuǎn)離環(huán)境惡劣的現(xiàn)場，同時(shí)，光纖光路不受環(huán)境氣氛的影響，大大提高了測溫系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力。但由于探頭采用一般的輻射接收原理，仍難以解決發(fā)射率困擾問題。為克服這一難題，提出了灰體測溫原理，采用比色法測溫，能大大降低發(fā)射率對測溫結(jié)果的影響，在最佳條件下，該影響可降至零。這樣測溫的好處是測溫響應(yīng)速度快，響應(yīng)速度為10ｓ左右[3]。

　　本文開發(fā)的消耗型光纖高溫測量儀，克服了上述缺點(diǎn)，是一種全新的測量熔融金屬溫度的方法。其測溫精度與消耗型熱電偶相同，但測溫費(fèi)用卻大幅度降低，有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益，完全可以取代消耗型熱電偶。

　　2 比色測溫原理

　　比色測溫是通過測量物體在兩個(gè)不同波長處的輻射亮度之比來確定物體溫度的方法，其特點(diǎn)是可以消除測量路徑上的大氣、煙霧、灰塵、環(huán)境溫度等因素所帶來的干擾。

　　3 工作波長的選擇

　　由式（3）可見，正確選擇波長 和 是至關(guān)重要的。一般被測對象的光譜輻射亮度與波長和溫度都有關(guān)，如圖1所示。圖中的縱坐標(biāo)表示黑體的輻射亮度，橫坐標(biāo)表示波長，曲線從下至上溫度越來越高。

圖1  黑體的光譜輻射亮度與波長和溫度的關(guān)系曲線

　　從圖中曲線可以看出黑體輻射的幾個(gè)特性：（1）總的輻射亮度隨溫度的升高迅速增加，溫度越高光譜輻射亮度越大；（2）當(dāng)溫度一定時(shí)，光譜輻射亮度隨波長的不同按一定規(guī)律變化，曲線有一個(gè)極大值，此處的波長定義為 ，當(dāng)波長小于 時(shí)，輻射亮度隨波長增加而增加，當(dāng)波長小于 時(shí)，變化規(guī)律相反；（3）溫度增加時(shí)，光譜輻射亮度的峰值波長向短波方向移動(dòng)，物體的輻射亮度增加，發(fā)光顏色也發(fā)生改變。

　　初步將波長范圍定在800～1000nm，并且在該范圍波段上不存在水蒸氣的主要吸收帶，可以降低測量誤差。當(dāng) 分別為800nm和1000nm時(shí)，相對靈敏度曲線如圖2所示。圖中曲線1的相對靈敏度較高，由此可知， 應(yīng)選擇在800nm附近。根據(jù)光電探測器的光譜響應(yīng)與溫度的關(guān)系，要求 擁有良好的線性關(guān)系，根據(jù)線性關(guān)系，取 在950nm附近為好。

　　經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，最后選擇 ＝890nm， ＝940nm，比色測溫效果較好。

圖2 相對靈敏度與溫度的關(guān)系曲線