CN102692283B - 一种多fbg光纤光栅比色瞬态温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度测量方法，包括以下步骤：（1）、高温光学镜头拾取高温物体表面的红外辐射光（2）、通过光纤将红外辐射光传输到控制室（3）、在控制室内，光纤通过Y型分光器的输入端输入到FBG光纤光栅，被FBG光纤光栅反射的光通过Y型分光器的输出端输出，并传输至探测器（4）、被各级的FBG光纤光栅反射回来的光信号由与其对应的APD红外探测器转换为微弱电信号，该电信号经过信号调理电路调理后输入至高速浮点DSP处理器的A/D转换模块上，（5）、高速浮点DSP处理器将A/D转换模块的数据进行滤波、比色计算、温度查表、温度拟合后，最后将温度以曲线的方式显示在液晶显示器上，使得检测更精准、直观。

Description

一种多FBG光纤光栅比色瞬态温度测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量方法，特别是涉及一种多FBG光纤光栅比色瞬态温度测量方法。

背景技术

在金属冶金连铸结晶过程、连铸高温钢坯表面、冶金炉、火炮发射、航空及火箭发动机、强激光解离大气产生的等离子体等场合的高温测试中，瞬态温度（温度范围在800-2000摄氏度，温度变化在5-10us）是一个非常重要的参数之一，对于结晶体结晶过程温度场研究，钢铁冶炼温度监控，钢坯表面温度场的分析，火炮的温度监控，发动机的温度场分析等有着十分重要的意义。

目前对于低温或是缓慢变化的温度场（温度在1000摄氏度以内，几个毫秒到几十秒响应时间）一般采用接触式的测量，如热电偶、热电阻、温敏光纤，专利号为201010279035.5的一种光纤光栅单端测温传感器，专利号为200820020538.9的一种高温光纤光栅温度传感器。

辐射式测温方法是以普朗克的黑体热辐射定律为基础的，实际物体往往是非黑体，因此，引入了辐射温度、亮度温度和颜色温度等表观温度的概念，基于以上三种表观温度测量方法的高温计分别称为全辐射高温计、亮度式高温计和比色式高温计。比色测温法的优点：(1)大多数物体的颜色温度比亮度温度和辐射温度更接近真实温度。(2)比色法测温受被测物体光谱发射率影响小，针对被测物体的辐射特性，以及中间吸收介质的光谱吸收特性，合理选择两个工作波段，可以大大减小因被测体光谱发射率变化以及中间介质吸收的影响而引起的误差。比色温度计尤其适用于测量发射率较低的表面光亮的物体温度，或者在光路上存在着尘埃、烟雾等中性吸收介质的场所。

光纤光栅高温测量技术，FBG光纤光栅是一种窄带光纤滤波，通过光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，从而导致一定波长发生相应的模式耦合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性，一般一个FBG光纤光栅同时具有温敏和压敏特性，可以用来直接测量高温温度，如专利申请号为200810048991.5基于光纤光栅传感的陶瓷窑炉温度检测方法，申请号为200910228048.7光纤光栅测温系统及多点测温方法，申请号为200710038145.0光纤光栅高温传感系统。

文献(《光电工程》38(4): 1-6,2011)提出了一种不依赖于CCD光谱特性及其三基色代表性波长的改进比色测温方法，利用三基色RGB中两两基色与温度的关系得到三个温度解，最后利用三个温度解之间的相关性进行优化，得出最优温度解，其平均误差1.09%，而传统的比色测温的平均误差为 2.25%。

中国专利号200610083893.6介绍了一种利用比色测量高温温度场、火焰图像的装置和检测方法，通过聚光光学元件接收红外辐射到光纤阵列，一支输入到图像处理单元，一支输入到比色测温系统，在比色测温中通过Y型分光器分为两支路，分别通过两个不同波长的滤波片，然后通过探测器进行比色测温计算。

中国专利200610047731.7介绍了一种金属粉末激光成型过程中温度场检测方法及其装置，通过将两种波长的滤光片分时交替的位于光路中，通过红外摄像机采集光强图像，根据灰度图像做比色测温，得到其温度场。

中国专利200910077464.1介绍了一种三CCD温度场测量装置及方法，光学镜头采集辐射能，再通过分光镜组，分成三路，在每一路信号后放置滤波片，然后进入三路光谱非相关的CCD图像，在利用数据处理单元进行比色测温。

由于一般的RGB滤色阵列三个颜色通道的波段响应是基于标准人眼的光谱三刺激值进行设计的，所以其光谱响应特性是固定的，而无法自主选择合适的三波段，实现优化测量。

针对这个缺点中国专利200910077462.2介绍了一种彩色CCD的辐射温度场测量装置及其方法。该装置在光学镜头的前面加了一个具有两种单峰透过率的滤色片，先对物体的辐射能进行两个带通滤波。经过光学镜头聚焦后于彩色CCD面阵传感器的焦平面，并成像，然后通过对RGB通道的任意两通道进行比色测温。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种检测更精准的多FBG光纤光栅比色瞬态温度测量方法。

本发明的一种多FBG光纤光栅比色瞬态温度测量方法，多FBG光纤光栅比色测温是按照以下步骤确定：

一、高温光学镜头拾取高温物体表面的红外辐射光；

二、红外辐射光经过聚焦耦合到传输光纤，并通过传输光纤传输至控制室，以便于做后续处理；

三、在控制室内，光纤通过Y型分光器的输入端输入到FBG光纤光栅，被FBG光纤光栅反射的光通过Y型分光器的输出端输出，并传输至探测器；同时被FBG光纤光栅投射的光通过Y型分光器的公共端进入下一级的FBG光纤光栅，各级的FBG光纤光栅是通过Y型分光器级联的；

四、被各级的FBG光纤光栅反射回来的光信号由与其对应的APD红外探测器转换为微弱电信号，该电信号经过信号调理电路调理后输入至高速浮点DSP处理器的A/D转换模块上；

五、高速浮点DSP处理器将A/D转换模块的数据进行滤波、比色计算、温度查表、温度拟合后，实时存储在内存中，最后将温度以曲线的方式显示在液晶显示器上。

本发明中用到的测量装置的结构为，包括高温光学镜头、传输光纤和设置在控制室内的高速浮点DSP处理器、串联在传输光纤上的多个分光器、以及在单个分光器上直接熔接的FBG光纤光栅、以及与所述分光器相对应的探测器和与所述探测器相对应的信号调理电路；

所述高温光学镜头用于拾取高温物体表面的热辐射红外光；

所述传输光纤用于将所述高温光学镜头拾取到的热辐射红外光传输至所述控制室；

所述分光器，所述分光器为Y型分光器，所述Y型分光器的输入端为光信号的输入端，所述Y型分光器的公共端直接耦合所述FBG光纤光栅，所述Y型分光器的输出端用于将FBG光纤光栅滤波出来的反射光输入至所述探测器；

所述探测器，用于将FBG光纤光栅滤波出来的反射光转换为电信号，经过信号调理电路后输入到DSP处理器；

所述高速浮点DSP处理器包括A/D转换模块，数据处理模块和显示模块，用于对辐射光电信号的采集、数据滤波、比色值计算、温度查表、数据拟合运算、存储温度值并且将温度曲线显示在所述显示模块上。

作为优选方式，所述Y型分光器为三个，所述FBG光纤光栅为三个。

作为优选方式，所述探测器为红外APD接收管。

作为优选方式，所述FBG光纤光栅采用激光刻写方式制作，中心波长为800nm-1000nm，中心波长的偏差为±0.2nm，波长的3dB带宽为0.2nm。

作为优选方式，所述传输光纤、Y型分光器和FBG光纤光栅的连接是通过光纤熔接机直接融合。

与现有技术相比本发明的有益效果为：                   

1、与现有的基于热电偶的快速测温相比，本发明由于采用比色测温，响应速度快，可以达到5-10us，适合远距离非接触式高温测量；

2、与现有的基于温敏FBG光纤光栅传感器测温相比，本发明不需要繁琐的解调装置，系统的影响因数减小，成本更低，响应时间更快；

3、与现有的基于比色测温系统，如彩色CCD测温，或滤波片的比色测温相比，本发明所采用的装置采用了FBG光纤光栅，其各个部件的接口采用光纤熔接机直接熔接，其损耗可以忽略，其中心波长的误差精度是滤波片的10倍，故该装置安装方便，牢固，准确度和灵敏度高，性能更加可靠；

4、由于系统采用了高速浮点运算的DSP处理器，其运算速度快，处理数据时间短，达到了系统所需要的5-10us的响应时间要求。

附图说明

图1是本发明所采用的一种多FBG光纤光栅比色瞬态温度测量装置的结构示意图；

图2是本发明中Y型分光器结构示意图;

图3是本发明中高速浮点DSP处理器运行时的流程示意图；

图4是本发明中利用A/D中读取光强信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1，一种多FBG光纤光栅比色瞬态温度测量装置，包括高温光学镜头2、传输光纤3和设置在控制室4内的高速浮点DSP处理器9、串联在传输光纤3上的三个Y型分光器5、以及在每一个Y型分光器5上直接熔接的FBG光纤光栅6、以及与Y型分光器5相对应的探测器7和与所述探测器7相对应的信号调理电路8；

所述高温光学镜2头用于拾取高温物体1表面的热辐射红外光；

所述传输光纤3用于将所述高温光学镜头1拾取到的热辐射红外光传输至所述控制室4；

所述Y型分光器5的输入端51为光信号的输入端，所述Y型分光器5的公共端52直接耦合所述FBG光纤光栅6，所述Y型分光器5的输出端53用于将FBG光纤光栅6滤波出来的反射光输入至所述探测器7；

所述传输光纤3、Y型分光器5以及FBG光纤光栅6连接时通过光纤熔接机直接融合。其损耗强度可以达到0.1%以下，保证了发射光的足够强度，降低光电探测器的噪声源。

所述信号调理电路8，主要将探测器7输出的微弱信号进行两级放大，滤波，最后输入到高速浮点DSP处理器内；

探测器7为红外APD接收管，主要用来探测微弱光强，响应度是PIN管的5-10倍；用于将FBG光纤光栅6滤波出来的反射光转换为电信号，经过信号调理电路8后输入到DSP处理器9；

所述高速浮点DSP处理器9包括A/D转换模块，数据处理模块和显示模块，用于对辐射光电信号的采集、数据滤波、比色值计算、温度查表、数据拟合运算、存储温度值并且将温度曲线显示在所述显示模块上，A/D转换模块为转换时间为80ns的12位同步采样A/D转换器，显示模块为液晶显示器10。

综合上述，该装置利用FBG光纤光栅6做波长选择器（滤波），当满足布拉格条件时，即当入射波与FBG光纤光栅6的中心波长相等时，其反射率一般在95-99%，而其他波长的光被透射出来；FBG光纤光栅6由于采用激光照射方式制作，中心波长为800nm-1000nm，中心波长的偏差为±0.2nm，波长的3dB带宽为0.2nm，也可以做到几个pm，增加了系统的探测准确度；传输光纤3和FBG光纤光栅6通过光纤熔接机直接融合，其熔接损耗可以做到低于0.1%以下，也就是说强度通过率达到近100%，基本没有损耗，传输光纤3的直接熔接和FBG光纤光栅6反射率都为后续的探测器7提拱了足够的强度，以便于探测，降低系统的探测噪声；通过一根传输光纤3上串联三个或三个以上的Y型分光器5，每一个Y型分光器5上直接熔接的FBG光纤光栅6，次级的FBG光纤光栅6入射光是上级FBG光纤光栅6的透射光，这样，基本上每一级的满足FBG光纤光栅6反射的光强都几乎相等，减小了系统误差。本发明为了达到微秒响应度，系统的各个环节都采取了必要的措施。

本发明一种多FBG光纤光栅比色瞬态温度测量方法，多FBG光纤光栅比色测温是按照以下步骤确定：

一、高温光学镜头2拾取高温物体1表面的红外辐射光；

二、红外辐射光经过聚焦耦合到传输光纤3，并通过传输光纤3传输至控制室4，以便于做后续处理；

三、在控制室4内，光纤通过Y型分光器5的输入端51输入到FBG光纤光栅6，被FBG光纤光栅6反射的光通过Y型分光器5的输出端53输出，并传输至探测器7；同时被FBG光纤光栅6投射的光通过Y型分光器5的公共端52进入下一级的FBG光纤光栅6，各级的FBG光纤光栅6是通过Y型分光器5级联的，FBG光纤光栅6采用激光刻写方式制作，中心波长为800nm-1000nm，中心波长的偏差为±0.2nm，波长的3dB带宽为0.2nm，级联的等级是根据光强的损耗和实际需要来确定的。

四、被各级的FBG光纤光栅6反射回来的光信号由与其对应的APD红外探测器7转换为微弱电信号，该电信号经过信号调理电路8调理后输入至高速浮点DSP处理器9的A/D转换模块上；

五、高速浮点DSP处理器9将A/D转换模块的数据进行滤波、比色计算、温度查表、温度拟合后，实时存储在内存中，最后将温度以曲线的方式显示在液晶显示器10上。

在瞬态高温测量中，为了达到瞬态（5-10us的响应时间），测量装置是这样实现的，通过100Mhz响应度的APD红外探测器7获取到由FBG光纤光栅6反射波的光强信号，由100HMz响应度的信号调理电路8调整信号到A/D转换允许的范围内，并通过转换时间为80ns的12位同步采样A/D转换器，在高速浮点DSP处理器9内部进行两两比色并查表，再根据校准好的比例系数进行温度拟合，通过嵌入汇编（每条指令执行时间为6.7ns，数据处理的汇编指令条数在200-300之间），使得每次温度的更新率在5-10us之内，将数据存储在内部存储器中，再将温度以波形和数据的格式显示在液晶显示器10上。

参见图3和图4，测试前先开机11，系统程序初始化12后，开始数据采集13，在主程序中检测是否有新数据更新，如果有温度需要温度显示14，则更新温度波形图，当A/D中断15完后，通过DMA传输至内存中，当每个通道的数据达到八条后，进行中值滤波，然后查表，得到三个温度值，再通过常系数拟合计算实际温度值，并存储在温度储存器16中，当温度值达到一定的数量后，比如128个点时，再通知主应用程序，有需要的温度波形数据更新了，最后退出中断17。

高速浮点DSP处理器与显示是按照以下步骤完成：

高温物体表面温度是根据普朗克的黑体辐射模型推到的，其公式为：

     （一）              

为黑体光辐射通量密度；λ为黑体热辐射电磁波波长；T黑体的温度；C₁和C₂分别为第一辐射常数和第二辐射常数，当λT≤C₂时，如果考虑物体的辐射率，那么普朗克公式可以由维恩近似得到： 

     （二）    

其中ε（λ，T）为物体的辐射系数，当采用多比色测温时，并考虑到输入光纤3的耦合损耗、FBG光纤光栅6反射率、探测器7的光谱响应率、信号调理参数等因数，用待定系数K表示，则多组强度比值：

（三）

 式中，i=1,2,3，j=1,2,3，且i≠j，并取dλ相等，则得到： 

             （四）

  如果考虑当波长比较靠近时，则可以认为

在850,900以及950nm时的辐射系数相等，则上式中的任何一个式子取对数，可以得到：

                 （五）

再通过三比色值得线性关系：

                           （六）

 式中的K₁ 、K₂ 、K₃为待定常数，T为测量温度，可以通标定来确定这三个待定常数，当高速浮点DSP处理器9采集到三个光强时，考虑到实时性的要求，每个通道采集八条数据，采用简单快速的中值滤波方法，对数据进行滤波。然后计算强度比参数R_i,J (T) ，事先储存在FLASH存储器中的温度值进行查表，代入待定常数，计算得到相应的温度值。

本发明采用的装置处理器采用高速浮点DSP处理器9（型号为TMS320F28335，主频150Mhz，每条指令的时间为6.7ns）,APD光电二极管接收到的光信号转为为弱电信号后，经过前置放大器放大，并经过信号调理，再进入高速浮点DSP处理器9的高速（80ns转换时间）A/D转换器，数字化后，采用中值滤波，并实时计算比参数R_i,J (T)。

储存在FLASH存储器中的温度值和三个常系数是这样确定的:

1、针对每一个光强比色值，代入本发明的三个波长到公式四中，即850,900以及950nm，计算处理每个比色值对应的温度T，将这些值从小到大顺序排列，存储在片外的FLASH中的，这样减小实时计算带来的时间，在实时测量时，从片外的flash按照偏移值规律直接读取温度值；      

2、在公式六中的三个常系数是这样标定的，将标准温度（黑体炉）调整温度到一定数量（如从800-2000摄氏度，每个100摄氏度测量标定一次）照射到该发明装置，并测量温度测量值，从测量值中选取3组温度，代入公式六中，进行一个线性的三个常系数标定。

综上所述，本发明一种多FBG光纤光栅比色瞬态温度测量方法，具有以下优点：

1、与现有的基于热电偶的快速测温相比，本发明由于采用比色测温，响应速度快，可以达到5-10us，适合远距离高温测量；

2、与现有的基于温敏FBG光纤光栅传感器测温相比，本发明不需要繁琐的解调装置，系统的影响因数减小，成本更低，响应时间更快；

3、与现有的基于比色测温系统，如彩色CCD测温，或滤波片的比色测温相比，本发明装置采用了FBG光纤光栅6，其各个部件的接口采用光纤熔接机直接熔接，其损耗可以忽略，其中心波长的误差精度是滤波片的10倍，故该装置安装方便，牢固，准确度和灵敏度高，性能更加可靠；

4、由于系统采用了高速浮点运算的DSP处理器9，其运算速度快，处理数据时间断，达到了系统所需要的5-10us的响应时间要求。

从以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1. 一种多FBG光纤光栅比色瞬态温度测量方法，其特征在于：多FBG光纤光栅比色测温是按照以下步骤确定：

一、高温光学镜头拾取高温物体表面的红外辐射光；

二、红外辐射光经过聚焦耦合到传输光纤，并通过传输光纤传输至控制室，以便于做后续处理；

三、在控制室内，光纤通过Y型分光器的输入端输入到FBG光纤光栅，被FBG光纤光栅反射的光通过Y型分光器的输出端输出，并传输至探测器；同时被FBG光纤光栅投射的光通过Y型分光器的公共端进入下一级的FBG光纤光栅，各级的FBG光纤光栅是通过Y型分光器级联的；

四、被各级的FBG光纤光栅反射回来的光信号由与其对应的APD红外探测器转换为微弱电信号，该电信号经过信号调理电路调理后输入至高速浮点DSP处理器的A/D转换模块上；

五、高速浮点DSP处理器将A/D转换模块的数据进行滤波、比色计算、温度查表、温度拟合后，实时存储在内部存储器中，最后将温度以曲线的方式显示在液晶显示器上。

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