CN110702265A - 一种蓝宝石光纤黑体测温仪及其测温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种蓝宝石光纤黑体测温仪及其测温方法。本发明选用耐高温高强度陶瓷材料制备的套管对蓝宝石光纤进行保护。硬件部分采用双色光电二极管S/IGA‑025为光电转换器件，电路设计上主要包含I/V转换电路、放大电路、热电偶放大电路、数据采集卡采集电路等，其中数据采集卡的选型为USB2852数据采集板。本发明可以满足一些爆炸场景的对测温范围需求；蓝宝石在高温下物理化学性质稳定，具有优异的耐化学腐蚀性，可以长时间在爆炸高温环境下工作。
Description
技术领域
本发明涉及传感器测温技术领域，是一种蓝宝石光纤黑体测温仪及其测温方法。
背景技术
温度是表征物体状态的一项重要参数，在科学和工程领域中都具有深刻的意义和价值。在工业生产过程、科学研究、国防军事等众多领域中，准确、快速获得某种材料、某个设备以及某个生产过程中的温度至关重要。爆炸时产生的火焰具有温度高、冲击力大、持续时间短等特点，所以其温度测量非常困难。目前，在国内外一般都采用非接触测温方法进行测量，非接触测温法优点是速度快、不存在测温上限，但其缺点是精度低，以及测量目标点不明确等问题。
因此，就需要一种能够自动检测、精度高、低功耗、实时性高、稳定性好的温度检测系统及其检测方法。光纤温度传感器是光纤传感器的一种，主要被应用于物体的温度测量。而光纤温度传感器根据工作机理的不同，可将其分为强度吸收型、热辐射检测型、荧光测温型，本发明所研制的蓝宝石光纤黑体测温系统所使用的光纤则属于热辐射检测型。热辐射检测型光纤传感器具有极高的灵敏度和使用稳定性，工作原理简明易懂，使用制备方便便捷，逐渐被业内研究者们所认可，被广泛应用于高温测量领域。而制备光纤温度传感器的材料有很多种，和其他光纤传感器相比，使用蓝宝石材料作为基质制备的传感器与其他光纤传感器有所不同，其采用的是蓝宝石单晶光纤，具有体积小、灵敏度高、响应速度快的特点。而且其物理、化学和光学性质在高温下十分稳定，因此蓝宝石光纤的黑体腔可直接放入高温环境进行测温工作。
发明内容
本发明为解决现有的高温环境中温度检测系统不能自动检测、精度低、功耗高、实时性差、稳定性差的缺陷，本发明提供了一种蓝宝石光纤黑体测温仪及其测温方法，本发明提供了以下技术方案：
一种蓝宝石光纤黑体法测温仪，所述测温仪包括：蓝宝石光纤、热电偶温度传感器、蓝宝石黑体腔、双色光电探测器、I/V转换电路、放大电路、数据采集计算机、上位机显示器和系统标定件；
所述蓝宝石光纤的一端镀有蓝宝石黑体腔，所述蓝宝石光纤的另一端镀有热电偶温度传感器，所述蓝宝石光纤辐射出的光通过短距离传输至双色光电探测器，所述光电探测器连接I/V转换电路，所述I/V转换电路连接放大电路，所述放大电路连接数据采集计算机，所述数据采集计算机连接上位机显示器，同时所述系统标定件连接数据采集计算机。
优选地，所述蓝宝石光纤采用钼200nm～300nm，氮化硼800nm～1000nm的制备参数。
优选地，所述热电偶温度传感器采用双铂铑热电偶。
优选地，所述数据采集计算机采用USB2852数据采集卡。
优选地，所述放大电路采用OP07芯片作为放大芯片。
优选地，所述I/V转换电路采用用AD820芯片。
一种蓝宝石光纤黑体测温方法，包括以下步骤：
步骤1：将蓝宝石黑体腔放置在高温爆炸环境之中，由于蓝宝石黑体腔具有低的热容量，蓝宝石黑体腔与环境温度达到等温并产生对应的光信号；
步骤2：所述蓝宝石黑体腔辐射出的光通过蓝宝石光纤进行短距离的传输至光电探测器，所述光电探测器将接收到的光信号转化为电流信号；
步骤3：所述经光电探测器转换的电流信号通过I/V转换电路，所述I/V转换电路将电流信号转换为电压信号；
步骤4：所述经I/V转换电路转换完成的电压信号传输至放大电路，放大电路对电压信号进行电压信号放大处理；
步骤5：通过数据采集计算机采集经放大电路放大后的电压信号，所述数据采集计算机采集到的电压信号经由系统标定件建立的数学模型，计算出爆炸热源的瞬态温度，并将该温度上传至上位机显示器进行显示。
步骤6：重复步骤1到步骤5，得到实时温度信息并通过上位机显示器进行查看。
优选地，采用蓝宝石光纤黑体法测温下限为500℃。
优选地，采用0.9μm探测的波段。
优选地，热电偶传感器对低温段100～500℃的温度进行测量，测量信号随光纤一并输出。
本发明具有以下有益效果：
本发明可接触探头熔点达到2000℃以上，本发明可以满足一些爆炸场景的对测温范围需求；蓝宝石在高温下物理化学性质稳定，具有优异的耐化学腐蚀性，可以长时间在爆炸高温环境下工作；蓝宝石光纤黑体法的黑体腔热容量很小，在与爆炸热源接触时可以在极短的时间内达到热平衡状态，随后黑体腔辐射出的光信号通过蓝宝石光纤以光速传出到光电探测器上。这个过程的时间非常短，因此蓝宝石光纤黑体测温系统具有非常快的响应速度，满足爆炸火焰测温的动态响应需求。蓝宝石光纤具有良好的电绝缘性，同时抗电磁干扰，能够做到在损耗最小的情况下输出爆炸火焰温度信号
附图说明
图1是蓝宝石光纤黑体法测温仪结构框图；
图2是蓝宝石光纤黑体法测温仪结构示意图；
图3是I/V转换电路图；
图4是热电偶放大部分电路图；
图5是放大电路部分原理图；
图6是数据采集卡的实物图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
按照图1和图2所示，本实施例所涉及的一种基于蓝宝石光纤黑体法的测温仪，它包括一端镀有黑体腔的蓝宝石光纤、热电偶温度传感器、蓝宝石黑体腔、双色光电探测器、I/V 转换电路、放大电路、数据采集计算机、上位机显示器和系统标定件；所述蓝宝石黑体腔放置在高温爆炸环境之中的时候，由于本镀膜腔具有很低的热容量，所述热电偶温度传感器能够非常快的使其本身与环境温度达到等温并产生对应的光信号。所述蓝宝石光纤镀膜空腔辐射出的光进行短距离的传输至最终的光电探测器。所述光电探测器，通常为光电二极管，将接收到的光信号转化为电流信号，将电流信号与I/V转换电路的输入端连接，所述I/V转换电路将电流信号转换为电压信号，I/V转换电路的输出端与放大电路的输入端连接对信号进行放大，所述放大电路的输出端与数据采集计算机的输入端连接，将数据进行采集。根据所述系统温度标定后建立的数学模型，计算出爆炸热源的瞬态温度上传至上位机端。
实施例2
结合图3说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种基于蓝宝石光纤黑体法的测温仪，I/V转换电路模块选用AD820芯片作为该模块的主芯片，AD820芯片能够轻松驱动上限为350pF的容性负载，同时能够输出下限为15mA的微弱电流，能够轻易与各种负载进行连接。AD820同时兼备良好的交流特性与直流特性，并且具有优秀的负载驱动能力，令其具有十分多样化的功能，适合于单电源用户的使用。AD820提供了两种工业等级的运行环境，其运行温度要求为-40℃至+85℃的工业标准范围。结构上，AD820共提供三种8引脚封装结构，分别为塑封DIP(PDIP)、表贴(SOIC)以及(MSOP)，可适应各种使用场景。
实施例3
结合图4说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种基于蓝宝石光纤黑体法的测温仪，对于热电偶的放大电路，最终我们选用OP37芯片。OP37芯片具有很低的输入失调电压，可以达25μV；还具有很低的零点漂移，其在最大温度下的漂移量仅仅为0.6μV/℃。不仅如此，OP37还具有低噪声和高增益放大倍率的特点，在工作时能够安静的对信号进行有效的放大，尤其在添置消除偏置电流模块后，本芯片的偏置电流可以降低至军用级别。得益于优秀的参数和超高的精度，OP37能适用于很多高精密仪器。
实施例4
结合图2和图5说明本实施例，本实施例所涉及的一种基于蓝宝石光纤黑体法的测温仪，通过前期实验得到探测器的输出结果的电流强度为10-10A～10-4A，所以在整个前置放大电路中要选取较精密的芯片AD820在前期进行放大，如图2电路所示。对信号进行200倍放大。因此设计采用两片OP07实现二级放大(20×10)，根据模拟电路中集成运放，集成运放OP07 所构成的反向比例运算电路可以通过电阻阻值的大小来控制电路的放大倍数，从而达到200 倍放大的效果。
实施例5
结合图6说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种基于蓝宝石光纤黑体法的测温仪，其中数据采集模块部分选用阿尔泰公司所生产的USB2852型号的USB数据采集板。该板卡是基于USB通信总线设计，可通过USB总线接口实现板卡与计算机间的之间连接，该板卡可在实验室、工程现场等多种复杂环境下轻松完成数据采集、数据分析和数据处理任务。也可构成高速实时数据采集系统。
数据采集系统主要由A/D转换以及USB数据通信组成。S/IGA-25光电探测器经过放大电路输出的为16位数字电压信号，数据采集系统可以直接通过USB通信总线完成输出信号的读取操作。在数据采集系统运行过程中，下位数据采集板卡与探测器之间的数据传输同样通过USB通信总线来实现。在硬件安装时，要注意将数据采集卡通过USB接口与计算机相连前一定要要关闭采集卡的电源，等到采集卡与计算机之间的连接固定后再进行安全开机，开机后系统会自动弹出硬件安装向导，之后即可通过向导进行硬件安装。而数据传输的过程需要由USB驱动程序来支持，Windows操作系统中USB驱动程序只需通过数据采集卡包装内光盘的安装即可，安装后可在系统控制面板中实现驱动程序的自动安装与删除。驱动程序的作用主要为完成设备的初始化、开启和停止等操作，同时实现硬件设备的启动检测、数据传输控制和设备故障处理。
本发明提供一种蓝宝石光纤黑体测温方法，包括以下步骤：
步骤1：将蓝宝石黑体腔放置在高温爆炸环境之中，由于蓝宝石黑体腔具有低的热容量，蓝宝石黑体腔与环境温度达到等温并产生对应的光信号；
步骤2：所述蓝宝石黑体腔辐射出的光通过蓝宝石光纤进行短距离的传输至光电探测器，所述光电探测器将接收到的光信号转化为电流信号；
步骤3：所述经光电探测器转换的电流信号通过I/V转换电路，所述I/V转换电路将电流信号转换为电压信号；
步骤4：所述经I/V转换电路转换完成的电压信号传输至放大电路，放大电路对电压信号进行电压信号放大处理；
步骤5：通过数据采集计算机采集经放大电路放大后的电压信号，所述数据采集计算机采集到的电压信号经由系统标定件建立的数学模型，计算出爆炸热源的瞬态温度，并将该温度上传至上位机显示器进行显示。
步骤6：重复步骤1到步骤5，得到实时温度信息并通过上位机显示器进行查看。
本发明工作原理及过程是：所述蓝宝石黑体腔放置在高温爆炸环境之中的时候，由于本镀膜腔具有很低的热容量，能够非常快的使其本身与环境温度达到等温并产生对应的光信号。蓝宝石光纤镀膜空腔辐射出的光进行短距离的传输至最终的光电探测器。然后光电探测器(通常为光电二极管)将接收到的光信号转化为电流信号，然后信号经过转换主芯片AD820进行 I/V转换电路处理对应信号，该芯片将电流信号转换为电压信号的同时也对电压信号进行的前置一级放大，前置放大器的主要作用是对微弱信号进行放大，它不仅可以提高系统的信噪比，也可以减少外界干扰的相对影响，同时其增益较高，输入阻抗较高，输出阻抗较低，能够实现阻抗转换和匹配，抑制部分输入噪声，即在保证将待测信号进行幅值放大的同时，还需尽可能地保证待测信号的输出质量，使噪声尽量小以消除实验过程中的杂散信号对结果的影响，输出的电压信号进入放大电路部分，由两片OP07芯片组成的电路对信号再次进行二级放大，经由OP07芯片放大后输出的信号传输给数据采集计算机。利用温度标定后建立的数学模型，计算出爆炸热源的瞬态温度实时上传至上位机显示。考虑到测试环境涵盖100℃到 500℃的低温温段，而采用蓝宝石光纤黑体法测温下限一般在500℃左右(采用0.9μm探测的波段)，故使用热电偶传感器，集成在微黑体外壁，负责低温段100～500℃的温度测量，测量信号随光纤一并输出。
以上所述仅是一种蓝宝石光纤黑体测温仪及其测温方法的优选实施方式，一种蓝宝石光纤黑体测温仪及其测温方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种蓝宝石光纤黑体法测温仪，其特征是：所述测温仪包括：蓝宝石光纤、热电偶温度传感器、蓝宝石黑体腔、双色光电探测器、I/V转换电路、放大电路、数据采集计算机、上位机显示器和系统标定件；
所述蓝宝石光纤的一端镀有蓝宝石黑体腔，所述蓝宝石光纤的另一端镀有热电偶温度传感器，所述蓝宝石光纤辐射出的光通过短距离传输至双色光电探测器，所述光电探测器连接I/V转换电路，所述I/V转换电路连接放大电路，所述放大电路连接数据采集计算机，所述数据采集计算机连接上位机显示器，同时所述系统标定件连接数据采集计算机。
2.根据权利要求1所述的一种蓝宝石光纤黑体法测温仪，其特征是：所述蓝宝石光纤采用钼200nm～300nm，氮化硼800nm～1000nm的制备参数。
3.根据权利要求1所述的一种蓝宝石光纤黑体法测温仪，其特征是：所述热电偶温度传感器采用双铂铑热电偶。
4.根据权利要求1所述的一种蓝宝石光纤黑体法测温仪，其特征是：所述数据采集计算机采用USB2852数据采集卡。
5.根据权利要求1所述的一种蓝宝石光纤黑体法测温仪，其特征是：所述放大电路采用OP07芯片作为放大芯片。
6.根据权利要求1所述的一种蓝宝石光纤黑体法测温仪，其特征是：所述I/V转换电路采用AD820芯片。
7.一种蓝宝石光纤黑体测温方法，所述方法基于如权利要求1所述的一种蓝宝石光纤黑体法测温仪，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：将蓝宝石黑体腔放置在高温爆炸环境之中，由于蓝宝石黑体腔具有低的热容量，蓝宝石黑体腔与环境温度达到等温并产生对应的光信号；
步骤2：所述蓝宝石黑体腔辐射出的光通过蓝宝石光纤进行短距离的传输至光电探测器，所述光电探测器将接收到的光信号转化为电流信号；
步骤3：所述经光电探测器转换的电流信号通过I/V转换电路，所述I/V转换电路将电流信号转换为电压信号；
步骤4：所述经I/V转换电路转换完成的电压信号传输至放大电路，放大电路对电压信号进行电压信号放大处理；
步骤5：通过数据采集计算机采集经放大电路放大后的电压信号，所述数据采集计算机采集到的电压信号经由系统标定件建立的数学模型，计算出爆炸热源的瞬态温度，并将该温度上传至上位机显示器进行显示。
步骤6：重复步骤1到步骤5，得到实时温度信息并通过上位机显示器进行查看。
8.根据权利要求7所述的一种蓝宝石光纤黑体测温方法，其特征是：采用蓝宝石光纤黑体法测温下限为500℃。
9.根据权利要求7所述的一种蓝宝石光纤黑体测温方法，其特征是：采用0.9μm探测的波段。
10.根据权利要求7所述的一种蓝宝石光纤黑体测温方法，其特征是：热电偶传感器对低温段100～500℃的温度进行测量，测量信号随光纤一并输出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200117 |
|
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