專利名稱：基于黑體輻射的雙波長(zhǎng)光電測(cè)溫儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)測(cè)溫裝置，特別涉及一種可在冶金行業(yè)中應(yīng)用的光學(xué)測(cè)溫儀。
背景技術(shù)：
目前在金屬冶煉部門，溫度的測(cè)量主要依靠鉑、銠等貴重金屬制造的熱電偶，一個(gè)中型的鋼鐵公司每年就要消耗幾百萬元的熱電偶，造成巨大的浪費(fèi)。所以，迫切需要開發(fā)一種專門用于金屬冶煉溫度測(cè)量的，價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定的光學(xué)測(cè)溫儀。
最初研究并投入使用的基于黑體輻射的測(cè)溫儀采用單波長(zhǎng)測(cè)溫法，但是單波長(zhǎng)測(cè)溫法容易受被測(cè)物體發(fā)射率、周圍環(huán)境、器件老化等因素的影響，測(cè)量結(jié)果誤差將會(huì)很大，無法滿足測(cè)量的精度要求。為了減小誤差、提高精度，就采用了雙波長(zhǎng)測(cè)溫的方法。按照光學(xué)探頭的不同可以分為黑體腔型接觸式光纖測(cè)溫儀和透鏡型非接觸式光纖測(cè)溫儀。
黑體腔型接觸式光纖高溫測(cè)量的方法最初是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局R.R.Dils提出的。他在藍(lán)寶石光纖的一端濺射一層金屬薄膜，以形成黑體腔，另一端和傳光光纖相連，在傳光光纖的末端接一光敏探測(cè)器。裝置如圖1所示，其中1是黑體腔，2是藍(lán)寶石光纖，3是石英光纖，4是透鏡，5是窄帶濾波片，6是光電二極管。測(cè)溫范圍為600℃～2000℃，精度為1％，測(cè)量的帶寬為幾十KHz。國(guó)外以O(shè)rbis Technologies Ltd公司為代表，其產(chǎn)品為luxtron系列測(cè)溫儀。
透鏡型非接觸式光纖測(cè)溫儀采用透鏡接收物體的光輻射，匯聚到光纖的端面，經(jīng)光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)離溫場(chǎng)的光電轉(zhuǎn)換器件，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理，顯示被測(cè)物體的溫度。這里采用的透鏡是普通的玻璃透鏡，傳光光纖是普通石英光纖，探頭所處的環(huán)境溫度比較低，相對(duì)黑體腔型光纖測(cè)溫儀來說，比較容易制造，成本也較低。清華大學(xué)于1995年研制的透鏡型非接觸式測(cè)溫儀的探頭如圖2所示，通過透鏡4進(jìn)行光的收集，兩根石英光纖3緊緊地并在一起。對(duì)探頭結(jié)構(gòu)的理論分析表明，在一定的范圍內(nèi)測(cè)量的結(jié)果與測(cè)量距離無關(guān)，因此可以用于運(yùn)動(dòng)物體的溫度測(cè)量。
但是上述兩種方法目前都無法應(yīng)用到冶金行業(yè)的高溫測(cè)量中。黑體腔型接觸式光纖測(cè)溫儀的分辨率很高，可以達(dá)到0.01℃，測(cè)溫精度也很高，達(dá)到0.2％@1000℃，穩(wěn)定性也很好。但是其造價(jià)高，特別是制作探頭用的藍(lán)寶石光纖價(jià)格昂貴，而且易斷、易折；在藍(lán)寶石光纖上鍍氧化鋯薄膜而形成的黑體腔，其厚度只有大約0.2mm，在測(cè)溫過程容易損壞，這些缺點(diǎn)就阻礙了黑體腔型光纖測(cè)溫儀在鋼鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用。而透鏡型非接觸式光纖測(cè)溫儀的光學(xué)探頭結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，用普通材料就可以制造，也比較容易更換，在實(shí)驗(yàn)室的良好環(huán)境下精度也可以滿足要求。但是其測(cè)溫容易受環(huán)境因素及被測(cè)物體的影響，特別是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的水汽、灰塵以及其他背景干擾都會(huì)給測(cè)溫帶來誤差，因此也無法在鋼鐵生產(chǎn)中應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于黑體輻射的新型雙波長(zhǎng)光電測(cè)溫儀，該光電測(cè)溫儀既能滿足冶金行業(yè)中測(cè)溫精度的要求，又可以做到價(jià)格低廉。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于黑體輻射的新型雙波長(zhǎng)光電測(cè)溫儀，包括測(cè)溫槍頭，數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的測(cè)溫槍頭包括光學(xué)探頭，用于安裝光學(xué)探頭的安裝室，與安裝室相連接的通光管，設(shè)置在通光管頂端的石英玻璃窗以及設(shè)置在通光管外部的保護(hù)管；所述的光學(xué)探頭由進(jìn)行光信號(hào)采集的透鏡，入射角為45度的二向分光濾光片，分別設(shè)置在二向分光濾光片的反射光路和透射光路上的第一窄帶濾光片和第二窄帶濾光片以及光電轉(zhuǎn)換器組成；將光電轉(zhuǎn)換器得到的兩路電信號(hào)通過傳輸線路與所述的數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)相連接。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述的二向分光濾光片在帶寬600nm～1000nm內(nèi)其分光比為1∶1；所述的第一窄帶濾光片其中心波長(zhǎng)為800nm，帶寬為10nm；所述的第二窄帶濾光片其中心波長(zhǎng)為950nm，帶寬為10nm。所述的二向分光濾光片、第一窄帶濾光片和第二窄帶濾光片集成在一個(gè)立方體內(nèi)，所述的二向分光濾光片位于立方體的對(duì)角面上，所述的第一窄帶濾光片和第二窄帶濾光片分別位于立方體的兩個(gè)內(nèi)表面上。
為了更換和插接方便，本發(fā)明所述的石英玻璃窗和保護(hù)管可通過耐高溫粘貼材料連接成一個(gè)可更換的整體。
本發(fā)明結(jié)合黑體腔型接觸式測(cè)溫和透鏡型非接觸式測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)，利用石英玻璃窗以實(shí)現(xiàn)浸入式測(cè)溫，即利用和鋼水達(dá)到熱平衡的石英玻璃窗作為發(fā)光體，消除了因鋼水的發(fā)射率變化帶來的影響，減少了環(huán)境干擾如灰塵、水汽對(duì)測(cè)溫的影響，提高了測(cè)溫的精度。而且由于保護(hù)管的作用，此測(cè)溫儀測(cè)溫槍內(nèi)部溫度在測(cè)溫過程中保持100℃以下，這就允許使用普通材料制作透鏡、二向分光濾光片和窄帶濾光片，降低了儀器的成本。整個(gè)光學(xué)探頭采取模塊化設(shè)計(jì)，具有體積小、精度高、易于安裝調(diào)試的特點(diǎn)。本發(fā)明既能滿足測(cè)溫精度要求，又具有價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，在冶金測(cè)溫領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中黑體腔型接觸式光纖測(cè)溫儀原理示意圖。
圖2為現(xiàn)有技術(shù)中透鏡型非接觸式測(cè)溫儀原理示意圖。
圖3為本發(fā)明的提供的基于黑體輻射的雙波長(zhǎng)光電測(cè)溫儀實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為光學(xué)探頭的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)框圖。
其中1-黑體腔；2-藍(lán)寶石光纖；3-石英光纖；4-透鏡；5-窄帶濾波片；6-光電探測(cè)器；7-光學(xué)探頭安裝室；8-法蘭盤；9-通光管；10-保護(hù)管；11-耐高溫粘貼材料；12-石英玻璃窗；13-二向分光濾光片；14-第一窄帶濾光片；15-第二窄帶濾光片；16-光電轉(zhuǎn)換器；17-光學(xué)探頭；18-數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)和工作過程作進(jìn)一步的說明。
圖3為本發(fā)明提供的基于黑體輻射的雙波長(zhǎng)光電測(cè)溫儀實(shí)施例整體結(jié)構(gòu)示意圖。該光電測(cè)溫儀主要由測(cè)溫槍頭和數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)兩部分組成，所述的測(cè)溫槍頭由光學(xué)探頭17，光學(xué)探頭安裝室7，與安裝室相連接的通光管9，設(shè)置在通光管頂端的石英玻璃窗12以及設(shè)置在通光管外部的保護(hù)管10組成；光學(xué)探頭17由進(jìn)行光信號(hào)采集的透鏡4，入射角為45度的二向分光濾光片13，分別設(shè)置在二向分光濾光片的反射光路和透射光路上的第一窄帶濾光片14和第二窄帶濾光片15以及光電轉(zhuǎn)換器16組成。首先將光學(xué)探頭安裝室7和通光管9焊接，然后通過法蘭盤8將光學(xué)探頭17安裝在光學(xué)探頭安裝室7內(nèi)，并將通過光電池16得到的兩路電信號(hào)接入后續(xù)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)18中。圖4為光學(xué)探頭的具體結(jié)構(gòu)示意圖，將二向分光濾光片13位于立方體的對(duì)角面上，第一窄帶濾光片14和第二窄帶濾光片15位于立方體的兩個(gè)內(nèi)表面上。保護(hù)管10和石英玻璃窗12通過耐高溫粘貼材料11連接成為一個(gè)整體，位于測(cè)溫儀槍頭的最頂端，在使用過程中可方便地進(jìn)行更換；保護(hù)管10一般采用紙管，可以保證通光管內(nèi)保持比較低的溫度。
進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，將光電測(cè)溫儀的槍頭插入鋼水中，大約深入表面以下30cm，停留大約2～3秒鐘，石英玻璃窗12和鋼水達(dá)到熱平衡，儀器發(fā)出警報(bào)。石英玻璃窗12發(fā)出的光，經(jīng)過透鏡4進(jìn)行會(huì)聚后，再通過二向分光濾光片13(入射角為45度，分光比在600nm～1000nm內(nèi)為1∶1)進(jìn)行分光，得到的兩束光再分別通過第一窄帶濾光片14和第二窄帶濾光片15進(jìn)行窄帶濾光，最終成像在光電轉(zhuǎn)換器16的光敏面上，分別得到中心波長(zhǎng)為800nm帶寬10nm的光信號(hào)λ1和中心波長(zhǎng)950nm帶寬10nm的光信號(hào)λ2。根據(jù)黑體輻射定律，由維恩公式，取波長(zhǎng)λ1和波長(zhǎng)λ2處的輻射功率的比值R(T)，即R(T)=M(λ1,T)dλ1M(λ2,T)dλ2=ϵ(λ1)dλ1ϵ(λ2)dλ2(λ2λ1)5exp[C2T(1λ2-1λ1)],]]>假設(shè)兩波長(zhǎng)處的帶寬相等，就可以得到測(cè)量的溫度值T=C2(1λ2-1λ1)lnR(T)-5lnλ2λ1-lnϵ(λ1)ϵ(λ2).]]>將得到的中心波長(zhǎng)為800nm帶寬10nm的光信號(hào)λ1和中心波長(zhǎng)950nm帶寬10nm的光信號(hào)λ2，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后得到相應(yīng)的電信號(hào)。將所得的電信號(hào)送入以ADuC812為核心的數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖5所示。首先，電信號(hào)經(jīng)精密運(yùn)放OP07構(gòu)成的信號(hào)放大電路進(jìn)行放大，接著送入ADuC812中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理，最后由ADuC812輸出控制信號(hào)及溫度值，完成一次溫度的測(cè)量，將測(cè)溫槍頭拔出。
權(quán)利要求
1.一種基于黑體輻射的新型雙波長(zhǎng)光電測(cè)溫儀，包括測(cè)溫槍頭，數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的測(cè)溫槍頭包括光學(xué)探頭(17)，光學(xué)探頭安裝室(7)，與安裝室相連接的通光管(9)，設(shè)置在通光管頂端的石英玻璃窗(12)以及設(shè)置在通光管外部的保護(hù)管(10)；所述的光學(xué)探頭由進(jìn)行光信號(hào)采集的透鏡(4)，入射角為45度的二向分光濾光片(13)，分別設(shè)置在二向分光濾光片的反射光路和透射光路上的第一窄帶濾光片(14)和第二窄帶濾光片(15)以及光電轉(zhuǎn)換器(16)組成；將光電轉(zhuǎn)換器得到的兩路電信號(hào)通過傳輸線路與所述的數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的光電測(cè)溫儀，其特征在于所述的二向分光濾光片在帶寬600nm～1000nm內(nèi)其分光比為1∶1；所述的第一窄帶濾光片(14)其中心波長(zhǎng)為800nm，帶寬為10nm；所述的第二窄帶濾光片(15)其中心波長(zhǎng)為950nm，帶寬為10nm。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的光電測(cè)溫儀，其特征在于所述的二向分光濾光片，第一窄帶濾光片和第二窄帶濾光片集成在一個(gè)立方體內(nèi)，所述的二向分光濾光片(13)位于立方體的對(duì)角面上，所述的第一窄帶濾光片和第二窄帶濾光片分別位于立方體的兩個(gè)內(nèi)表面上。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的光電測(cè)溫儀，其特征在于所述的石英玻璃窗(12)和保護(hù)管(10)通過耐高溫粘貼材料(11)連接成一個(gè)可更換的整體。
全文摘要
基于黑體輻射的雙波長(zhǎng)光電測(cè)溫儀，屬于光電檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明利用石英玻璃窗以實(shí)現(xiàn)浸入式測(cè)溫，即利用和鋼水達(dá)到熱平衡的石英玻璃窗作為發(fā)光體，通過透鏡、二向分光濾光片、窄帶濾光片、光電轉(zhuǎn)換器件以實(shí)現(xiàn)兩路光信號(hào)的傳輸采集和轉(zhuǎn)換。本發(fā)明結(jié)合黑體腔型接觸式測(cè)溫和透鏡型非接觸式測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)，消除了因鋼水的發(fā)射率變化帶來的影響，減少了環(huán)境干擾如灰塵、水汽對(duì)測(cè)溫的影響，提高了測(cè)溫精度，避免了使用光纖傳輸光信號(hào)所面臨的幾何對(duì)中問題。本發(fā)明既能滿足測(cè)溫精度要求，又價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定，在金屬冶煉測(cè)溫領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01J5/00GK1687722SQ20051001175
公開日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者孫利群, 章恩耀, 孫超, 邱虹云 申請(qǐng)人:清華大學(xué)