CN105841824A - 一种非接触便携式温度实时测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非接触便携式温度实时测量装置，还公开了上述测量装置对高温气体温度的测量方法，该装置信号发送端包括依次连接的信号发生电路、半导体激光温度电流控制模块、近红外半导体激光器和二合一光纤合束器，信号接收端包括依次连接的组合透镜、激光探测器、数据采集卡和数据处理模块，信号发送端和信号接收端通过手持式激光发射接收探头模块进行信号的发送和接收。本发明测量装置中的手持式激光发射接收探头模块，将发射与接收光纤耦合封装在透镜套管内，使检测器与相关的电子设备分离，降低了发射和采集单元的尺寸和重量；本发明测量装置特别适用于仅允许单侧光接入窗口的待测对象，实现高温气体温度的实时准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触便携式温度实时测量装置，还涉及上述测量装置高温气体的温度测量方法，是一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体温度实时测量仪器，属于激光吸收光谱领域。
背景技术
在火焰燃烧实验中，测量温度参数对控制燃烧的工作过程和性能参数、提高能源利用率等十分重要。实现对高温气体温度的有效监测，无论对汽车、煤电工业，还是对发展战略战术武器发射平台都有重要意义。
目前，气体温度测量技术主要分为两大类：接触式测量和非接触式测量。接触式测温广泛采用热电偶测温，热电偶采用两种不同材料导体组成闭合回路，在进行接触测温时，回路两个导体的接点存在冷热温差，导体回路便会产生热电势，进而可由热电势推出待测介质的温度。虽然接触式气体温度测量方法经过工程实践检验，在其适用范围内具有结果可信、成本低廉和使用简单等优点，但由于接触式测量过程中物理探针会侵入待测区域，进而会对被测区域的流场产生干扰，甚至会与被测气体流场内的气体杂质产生化学反应，这限制了其适用范围。同时，被测气体与热电偶直接需要建立热平衡，而建立平衡的过程需要响应时间，因此通常不适用于温度变化较快的场合。相比之下，非接触式测量方法克服了接触式测量方法的缺陷，具有测量仪器无需侵入待测区域，温度测量值不受外界因素干扰等优点。
传统的非接触式测量技术，根据技术手段通常分为声学测温技术与光学测温技术。声学法测温通常是根据声音在气体中的传播速度与气体静态温度之间的热力学关系进行温度测量，通常根据测量一对声波传感器之间的声信号的传播时间与距离计算温度。声学测温的测量精度高、测量范围广，但是声学测温通常易受测量环境的粉尘、气体流场等干扰。辐射测温是基于普朗克定律、斯蒂芬波尔兹曼定律和维恩位移定律，利用物体的热辐射与温度的关系进行测温，但是辐射测温易受物体表面的形状、观测角、和波长等因素的影响。全辐射测温计是通过接收待测目标全光谱范围内的总辐射来测温，易受发射率和中间介质的影响，并且其不适用于低发射率物体温度的测量。比色测温计是通过测量两个波长的单色辐射亮度之比值来确定物体温度，虽然可以进行低发射率物体测量，但是其系统复杂，实际应用困难。红外热像仪通过测量物体表面的红外热辐射，从而获取物体的温度，响应速度快，但是该技术易受探测器噪声的影响，并且不适用于待测目标温差不大的场合。
随着对温度测量应用要求的提高，新发展的基于激光光谱学的非接触测温方法具有较高的时间与空间分辨率。如激光诱导荧光(LIF)、相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)和可调谐激光吸收光谱(TDLAS)等方法。LIF利用分子或原子能级跃迁的荧光光谱信息进行气体温度测量。CARS一种三波混频的共振效应，利用两种频率的泵浦光和斯托克斯光经几何匹配技术混频，产生相干CARS信号，当介质分子的拉曼散射频率与两束光的频率之差接近时产生共振，放大CARS信号，进而根据CARS信号线型与温度的关系得到待测气体温度。LIF与CARS法都具有较高的灵敏度与抗干扰能力，但是也存在着系统复杂，价格昂贵等缺点。
TDLAS技术是利用气体分子在测量波段的特征吸收光谱，实现气体组分参数测量，通常采用双线测温法进行温度测量，测温对象也大多以H2O为目标分子。对于测温装置，通常是在待测区域一端布置激光器或者光纤发射激光，在待测区域的另一端布置光电探测器进行接收。虽然这种方法采集得到的透射光强较强，并且具有较高的信噪比，但是它不适用于单侧光接入窗口的许多系统。此外，这种方法不适合便携式测量。因此，发明一种可适用于单侧光接入窗口的非接触便携式温度实时测量装置尤为重要。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种非接触便携式温度实时测量装置，该装置可实现对高温气体温度的实时准确测量。
本发明还要解决的技术问题是提供上述非接触便携式温度实时测量装置对高温气体的温度测量方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种非接触便携式温度实时测量装置，信号发送端包括依次连接的信号发生电路、半导体激光温度电流控制模块、近红外半导体激光器和二合一光纤合束器，信号接收端包括依次连接的组合透镜、激光探测器、数据采集卡和数据处理模块，所述信号发送端和信号接收端通过手持式激光发射接收探头模块进行信号的发送和接收；
所述手持式激光发射接收探头模块包括透镜套管以及通过FC-PC光纤接头连接在所述透镜套管上的单模光纤和多模光纤，所述透镜套管内设有凸透镜；
其中，所述半导体激光温度电流控制模块包括第一半导体激光温度电流控制模块和第二半导体激光温度电流控制模块，所述近红外半导体激光器也包括第一近红外半导体激光器和第二近红外半导体激光器，所述信号发生电路分别与第一半导体激光温度电流控制模块和第二半导体激光温度电流控制模块连接，所述第一半导体激光温度电流控制模块连接第一近红外半导体激光器，所述第二半导体激光温度电流控制模块连接第二近红外半导体激光器，所述第一近红外半导体激光器和第二近红外半导体激光器同时与所述二合一光纤合束器连接；
所述二合一光纤合束器通过单模光纤与所述手持式激光发射接收探头模块连接，所述组合透镜通过多模光纤与所述手持式激光发射接收探头模块连接。
进一步优选，所述第一近红外半导体激光器为中心波长为1391.7nm的近红外DFB半导体激光器，所述第二近红外半导体激光器为中心波长为1343.3nm的近红外DFB半导体激光器。
进一步优选，所述凸透镜为带抗反射涂层的凸透镜。
进一步优选，所述多模光纤等距的围绕在单模光纤的周围。
进一步优选，所述单模光纤和多模光纤均设置在所述凸透镜的焦距之外。
上述非接触便携式温度实时测量装置对高温气体的温度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，采用中心波长为1391.7nm和1343.3nm的近红外半导体激光器作为激光光源，由信号发生器产生频率为f0的低频正弦波形叠加频率为f1的高频正弦调制信号对1343.3nm激光输出波长进行调谐，频率为f0的低频正弦波形叠加频率为f2的高频正弦调制信号对1391.7nm激光输出波长进行调谐，其中，f1、f2为非整数倍关系，两个近红外半导体激光器输出的激光通过二合一光纤合束器合束成一束激光，合束后的激光通过单模光纤传输到手持式激光发射接收探头模块；
步骤2，首先将发射激光束，经凸透镜准直后穿过只有空气存在时的待测区域到达反射面，部分激光被反射面漫反射后经凸透镜聚光后由多模光纤接收并通过组合透镜再次聚光后到达激光探测器，通过数据采集卡采集背景光强信号；再次将发射激光束经凸透镜准直后穿过待测高温区域达到反射面，部分激光被反射面漫反射后经凸透镜聚光后由多模光纤接收并通过组合透镜再次聚光后到达激光探测器，通过数据采集卡采集透射光强信号；
步骤3，将得到的背景光强和透射光强采用数据处理模块进行数值运算，结合目标激光信号的光谱吸收、待测区域的光程长度以及空气中的温度、湿度信息准确计算出待测气体的温度。
有益效果：相比于现有技术，本发明测量装置中的手持式激光发射接收探头模块，将发射与接收光纤耦合封装在透镜套管内，使检测器与相关的电子设备分离，降低了发射和采集单元的尺寸和重量；另外，本发明测量装置的反射面不需要人为布置，并且测量过程中不需要吹扫氮气来进行背景信号的测量，因此可适用于仅允许单侧光接入窗口的待测对象，实现高温气体温度的实时准确测量。
附图说明
图1为本发明非接触便携式温度实时测量装置的系统原理图；
图2为本发明装置中手持式激光发射接收探头模块的结构示意图；
图3为本发明装置中手持式激光发射接收探头模块的光纤耦合方式示意图；
图4为本发明装置中数据处理模块的数据处理流程图；
图5为利用本发明装置测量得到的1391.7nm水汽吸收线的仿真的一次谐波归一化二次谐波信号与实验获得的一次谐波归一化二次谐波信号最佳拟合图；
图6为利用本发明装置测量得到的1343.3nm水汽吸收线的仿真的一次谐波归一化二次谐波信号与实验获得的一次谐波归一化二次谐波信号最佳拟合图；
图7为利用本发明装置测量得到的待测高温区域加热空气、升温、点火三个不同阶段温度变化趋势效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1～3所示，本发明的非接触便携式温度实时测量装置，信号发送端包括依次连接的信号发生电路1、半导体激光温度电流控制模块、近红外半导体激光器和二合一光纤合束器6，信号接收端包括依次连接的组合透镜10、激光探测器11、数据采集卡12和数据处理模块13，信号发送端和信号接收端通过手持式激光发射接收探头模块7进行信号的发送和接收；
其中，半导体激光温度电流控制模块包括第一半导体激光温度电流控制模块3和第二半导体激光温度电流控制模块2，近红外半导体激光器也包括第一近红外半导体激光器5和第二近红外半导体激光器4，信号发生电路1分别与第一半导体激光温度电流控制模块3和第二半导体激光温度电流控制模块连接2，第一半导体激光温度电流控制模块3连接第一近红外半导体激光器5，第二半导体激光温度电流控制模块2连接第二近红外半导体激光器4，第一近红外半导体激光器5和第二近红外半导体激光器4同时与二合一光纤合束器6连接；第一近红外半导体激光器5为中心波长为1391.7nm的近红外DFB半导体激光器，第二近红外半导体激光器4为中心波长为1343.3nm的近红外DFB半导体激光器；
手持式激光发射接收探头模块7包括透镜套管17以及通过FC-PC光纤接头16连接在透镜套管17上的单模光纤14和多模光纤15，透镜套管17内设有带抗反射涂层的凸透镜18，多模光纤15采用八个光纤，多模光纤15等距的围绕在单模光纤14的周围(在实际测量中可以采用单个光纤或者多个光纤等间距地围绕在单模光纤14周围)，用以提高反射信号的采集效率；手持式激光发射接收探头模块7的单模光纤14作为发射探头，用来传输出射的激光，手持式激光发射接收探头模块7的多模光纤15作为接收探头，用来传输漫反射回来的激光，其中单模光纤14与多模光纤15布置在凸透镜18的焦距之外，用以最大限度的提高信号采集效率；
二合一光纤合束器6通过单模光纤14与手持式激光发射接收探头模块7连接，组合透镜10通过多模光纤15与手持式激光发射接收探头模块7连接。
本发明非接触便携式温度实时测量装置高温气体的温度测量方法，具体包括如下步骤：
步骤1，本发明采用中心波长为1391.7nm的近红外DFB半导体激光器5和中心波长为1343.3nm的近红外DFB半导体激光器4作为温度测量的激光光源，信号发生电路1用来产生选定频率、幅值、相位的调制信号与扫描信号，第二半导体激光温度电流控制模块2包括温度控制电路与电流控制电路，温度控制电路通过输出电流控制近红外半导体激光器的温度，从而控制近红外半导体激光器的输出波长，温度控制器的输出是固定的，用来控制近红外半导体激光器的输出波长中心的频率，电流控制器通过输出不同强度的电流，控制近红外半导体激光器产生波长与光强持续变化的激光，由信号发生电路1产生选定的频率为f0的低频正弦波形叠加频率为f1的高频正弦调制信号加载到第二半导体激光温度电流控制模块2(1343.3nm半导体激光温度电流控制模块)的输入端，通过改变电流驱动电路的输出电流控制1343.3nm近红外半导体激光器4，实现对激光器出光信号的周期性的扫描与调制，同样地，由信号发生电路1产生选定的频率为f0的低频正弦波形叠加频率为f2的高频正弦调制信号加载到第一半导体激光温度电流控制模块3(1391.7nm半导体激光温度电流控制模块)，对1391.7nm近红外半导体激光器5输出波长进行调谐，其中，f1、f2为非整数倍关系，两个激光器输出的激光通过二合一光纤合束器6合束成一束激光，合束后的激光通过单模光纤14传输到达手持式激光发射接收探头模块7；
步骤2，首先将激光束经单模光纤14传输并通过凸透镜18聚光后穿过只有空气存在时的待测区域8到达反射面9，经反射面9漫反射后的激光再次穿过只有空气存在时的待测区域8，通过凸透镜18聚光到达手持式激光发射接收探头模块7的多模光纤15，反射激光经多模光纤15传输后到达组合透镜10，由组合透镜10聚光后到达激光探测器11，激光探测器11将光信号转换为电信号，通过数据采集卡12采集得到背景光强信号；再次将激光束经单模光纤14传输并通过凸透镜18聚光后穿过待测高温区域8，待测高温区域8的水汽吸收后的激光经反射面9漫反射后再次穿过待测高温区域8(漫反射回来的激光再次被待测高温区域8的水汽吸收)，部分激光通过凸透镜18聚光到达手持式激光发射接收探头模块7的多模光纤15，反射激光经多模光纤15传输后到达组合透镜10，由组合透镜10聚光后到达激光探测器11，激光探测器11将光信号转换为电信号，通过数据采集卡12采集得到透射光强信号；
步骤3，数据处理模块13对采集得到的1343.3nm和1391.7nm两个中心波长处的背景光强、透射光强进行数值运算，如图4所示，首先，假设待测初始温度To，根据温度To确定1343.3nm和1391.7nm两条水汽吸收线的多普勒线宽ΔVD-v1、ΔVD-v2，并分别对1343.3nm和1391.7nm两条水汽吸收线的空气背景光强信号1I0(t)v1、1I0(t)v2进行平均，根据比尔朗伯定律，结合平均后的背景光强信号与空气背景的湿度d0和温度t0，计算得到真实的背景信号I0(t)v1、I0(t)v2，由初始的多普勒线宽ΔVD-v1、ΔVD-v2，背景信号I0(t)v1、I0(t)v2，积分吸收面积Av1、Av2，谱线中心位置V0-v1、V0-v2，洛伦兹线宽ΔVc-v1、ΔVc-v2值以及波数时间转换关系V(t)v1、V(t)v2，根据比尔朗伯定律，进一步计算得到仿真的透射光强SI0(t)v1、SI0(t)v2；然后，分别对1343.3nm和1391.7nm两条水汽吸收线的实验透射光强MIt(t)v1、MIt(t)v2进行平均，平均后的实验透射光强和仿真的透射光强SI0(t)v1、SI0(t)v2分别与各自的一倍调制频率f1、f2、二倍调制频率2f1、2f2的正弦和余弦参考信号相乘，相乘后的信号通过低通数字滤波器滤波，得到实验与仿真透射光强信号的一次谐波和二次谐波的X与Y分量，对获得的谐波分量取平方和再开方得到实验透射光强与仿真透射光强的一次谐波与二次谐波，分别将实验透射光强与仿真透射光强信号的二次谐波用一次谐波进行归一化；最后，将实验透射光强计算获得的归一化二次谐波与仿真透射光强计算获得的归一化二次谐波通过最小二乘拟合得到1343.3nm和1391.7nm两条水汽吸收线水汽吸收的最佳积分吸收面积；使用HITRAN数据库仿真不同温度下1343.3nm和1391.7nm两条水汽吸收线积分面积比值，建立积分吸收面积比值与温度的关系曲线，并将获取的积分吸收面积比值带入该曲线进行插值运算，获得待测区域温度值T1，用T1更新初始温度T0进行循环迭代直至T1与T0之差小于设定阈值时跳出迭代循环，此时认为温度收敛，循环后的温度T1即为实际待测区域温度的测量值。
反射面9不需要人为布置，在实际测量中可以是待测系统内部的磨砂金属、纸质、木材或石膏板等漫反射面，也可以是平面反射镜、角反射镜等镜面反射面，本发明装置使用时，反射面9为铝板，反射面9在手持式激光发射接收探头模块7的对面。
图5和图6分别为利用本发明装置测量得到的1391.7nm和1343.3nm两条水汽吸收线的仿真一次谐波归一化二次谐波信号与实验获得的一次谐波归一化二次谐波信号最佳拟合图。
图7为利用本发明装置测量得到的待测高温区域加热空气、升温、点火三个不同阶段温度变化趋势效果图。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，这些引伸出的变化或变动也处于本发明的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种非接触便携式温度实时测量装置，其特征在于：信号发送端包括依次连接的信号发生电路、半导体激光温度电流控制模块、近红外半导体激光器和二合一光纤合束器，信号接收端包括依次连接的组合透镜、激光探测器、数据采集卡和数据处理模块，所述信号发送端和信号接收端通过手持式激光发射接收探头模块进行信号的发送和接收；
所述手持式激光发射接收探头模块包括透镜套管以及通过FC-PC光纤接头连接在所述透镜套管上的单模光纤和多模光纤，所述透镜套管内设有凸透镜；
其中，所述半导体激光温度电流控制模块包括第一半导体激光温度电流控制模块和第二半导体激光温度电流控制模块，所述近红外半导体激光器也包括第一近红外半导体激光器和第二近红外半导体激光器，所述信号发生电路分别与第一半导体激光温度电流控制模块和第二半导体激光温度电流控制模块连接，所述第一半导体激光温度电流控制模块连接第一近红外半导体激光器，所述第二半导体激光温度电流控制模块连接第二近红外半导体激光器，所述第一近红外半导体激光器和第二近红外半导体激光器同时与所述二合一光纤合束器连接；
所述二合一光纤合束器通过单模光纤与所述手持式激光发射接收探头模块连接，所述组合透镜通过多模光纤与所述手持式激光发射接收探头模块连接。
2.根据权利要求1所述的非接触便携式温度实时测量装置，其特征在于：所述第一近红外半导体激光器为中心波长为1391.7nm的近红外DFB半导体激光器，所述第二近红外半导体激光器为中心波长为1343.3nm的近红外DFB半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的非接触便携式温度实时测量装置，其特征在于：所述凸透镜为带抗反射涂层的凸透镜。
4.根据权利要求1所述的非接触便携式温度实时测量装置，其特征在于：所述多模光纤等距的围绕在单模光纤的周围。
5.根据权利要求1所述的非接触便携式温度实时测量装置，其特征在于：所述单模光纤和多模光纤均设置在所述凸透镜的焦距之外。
6.权利要求1所述非接触便携式温度实时测量装置对高温气体的温度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，采用中心波长为1391.7nm和1343.3nm的近红外半导体激光器作为激光光源，由信号发生器产生频率为f0的低频正弦波形叠加频率为f1的高频正弦调制信号对1343.3nm激光输出波长进行调谐，频率为f0的低频正弦波形叠加频率为f2的高频正弦调制信号对1391.7nm激光输出波长进行调谐，其中，f1、f2为非整数倍关系，两个近红外半导体激光器输出的激光通过二合一光纤合束器合束成一束激光，合束后的激光通过单模光纤传输到手持式激光发射接收探头模块；
步骤2，首先将发射激光束，经凸透镜准直后穿过只有空气存在时的待测区域到达反射面，被反射面漫反射后部分激光经凸透镜聚光后由多模光纤接收并通过组合透镜再次聚光后到达激光探测器，通过数据采集卡采集背景光强信号；其次将发射激光束经凸透镜准直后穿过待测高温区域达到反射面，被反射面漫反射后经凸透镜聚光后由多模光纤接收并通过组合透镜再次聚光后到达激光探测器，通过数据采集卡采集透射光强信号；
步骤3，将得到的背景光强和透射光强采用数据处理模块进行数值运算，结合目标激光信号的光谱吸收、待测区域的光程长度以及空气中的温度、湿度信息准确计算出待测气体的温度。
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