CN112254836A - 一种基于比色法的光纤超高温测温仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于比色法的光纤超高温测温仪，光纤耦合镜头将目标辐射的红外光耦合到铠装传能光纤，进行光信号传输，通过宽带通滤光片，对红外光进行初步滤波，对目标辐射的红外光波段进行限制，然后进入分光系统，达到将光均分为两路的目的；两路光分别通过中心波长相差适中的两个滤光片后，分别到达光电探测器；光电探测器将光信号转化为电信号，通过一系列处理，最后经由下位机处理后，输出最终的温度结果，在显示器上显示。本发明提供了一种基于比色法的光纤超高温测温仪，可以实现500℃‑5000℃的温度测试，具有响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点，和灵敏度高，测温范围大等特点。
Description
技术领域
本发明涉及测温技术领域，更具体的说是涉及一种基于比色法的光纤超高温测温仪。
背景技术
在金属冶炼、陶瓷烧制和科学研究等领域，高效精准地测量和监测生产过程中产品表面的温度，是保证产品质量的重要环节之一；在发动机领域，特别是航空发动机领域，为了保证发动机本身性能的稳定性和提高其使用寿命，需要对高速运转的轮叶温度进行精准的测试；在科学研究领域，航天飞机进行大气层的温度特性，新工艺、新材料的研发等过程中的温度测试与控制，这些都离不开超高温温度的精确测试。
目前市场上的测温设备主要有三类，热电偶式测温、示温漆测温(温敏漆)和辐射测温。热电偶式接触测温以热电偶和半导体IC温度传感芯片为主，其优点是精度比较高，能够真实反应待测目标的真实温度。其缺点是使用时需要深埋和连线，只适合于静止或者缓慢运动目标的温度测试，同时，对电磁环境敏感，很容易被电磁干扰，用在工业上，需要采取复杂的屏蔽等多种抗干扰手段，再者对使用环境要求较严，在高温下易发生化学腐蚀。示温漆是一种涂敷在待测物体表面，且其颜色随温度的变化而改变，通过对颜色的变化来判读物体表面温度及其分布的功能涂料。这种测温方式属于非侵入式，不需要测试引线，不会对试验件造成破坏，不会对目标温度场产生干扰，可用于恶劣环境下测量，不破坏被测件的结构和工作状态，不影响被测试件的启动和传热特性，对高速旋转结构和复杂构件的壁面温度以及显示大面积分布有独到之处，使用方便，成本低。其缺点是测温范围窄，所测温度低，温度分辨精度低，用完即废，属于易耗品。辐射测温是目前应用比较多的测温方式，早期以单色测温为主，比如，发明专利201610075180.9公布了一种便携式光纤辐射测温仪，该辐射测温仪可工作在0.4μm～2.5μm，采用单色辐射，进行温度的反演。发明专利201310593874.8和201410813586.3公布了一种单波长测温系统，该系统可对高温进行瞬时测量。这些专利，都认为材料的发射率是常量，不随温度和状态的变化而变，这对目标温度不太高的条件下，对测试结果的影响不大，但是对于高温情况，特别是固液状态转变或者表面有无氧化层情况，材料发射率对测试结果的影响不可忽略。随着人们对发射率影响测试结果的认识越来越深入，发展了比色测温。比如发明专利201210053318.7公布了基于光纤分束器传感的红外比色发射光谱层析方法，该方法通过多组红外光纤束平面阵列采集待测目标多个方向的红外双波长信息。该方法可以实现温度分布的测试，缺点是结构复杂，空间分辨率不高，同时也没有对所采用的具体波段予以约束。发明专利201410561766.7公布了一种基于比色法的光纤辐射测温仪，该测温仪虽然能够实现晶体炉热场的测量，但是采用硅基光电二极管(工作在400-1100nm)和InGaAs基光电二极管(工作在800～1700nm)，没有采用滤光片进行光谱限制，同时两个波段相差较大，目标发射率的影响不可忽略，将给测试结果带来影响，同时，工作在可见光波段，周围环境自然光将对测试结果产生很大影响。
德国KLEIBER的产品KMGA740和IGA740高速光纤红外测温仪，分别工作在2.0～2.5μm和1.58～2.2μm，可实现350～3500℃(分段)和200～2500℃(分段)范围的温度测试。工作在1.58μm，可能采用InGaAs基光电探测器，而大于2.0μm波段的探测，探测器较多，无法猜测。
因此，如何提供一种具有响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点且灵敏度高，测温范围大的超高温测温仪是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于比色法的光纤超高温测温仪，该测温仪，工作在800nm～1700nm，该波段，受环境自然光、灯光或者等离子体的影响小，热辐射谱纯净，采用宽谱滤光片和窄带滤光片，共同限制所用波段，同时工作的两谱带间隔适中，既可减小发射率对测试结果的影响，又可以实现8位或者以上的温度测试，具有响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点且灵敏度高，测温范围大。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于比色法的光纤超高温测温仪，包括：光学部分和电路部分；光学部分通过光纤与电路部分固定连接；
其中，光学部分包括光纤耦合镜头、铠装传能光纤、宽带通滤光片、Y型光纤分束器、滤光片a和滤光片b；光纤耦合镜头将待测目标辐射的红外光，耦合到铠装传能光纤，依次通过宽带通滤光片，Y型光纤分束器均分成两部分，分别通过滤光片a和滤光片b；电路部分包括：光电探测器a、光电探测器b、信号预处理器a、信号预处理器b、AD采集a、AD采集b下位机、上位机和显示器；光学部分的输出端分别连接到光电探测器a、光电探测器b输入端；光电探测器a、信号预处理器a和AD采集a依次电连接；光电探测器b、信号预处理器b和AD采集b依次电连接；AD采集a和AD采集b均与下位机电连接；下位机、上位机和显示器依次电连接。
通过上述的技术方案，本发明的技术效果是：光纤耦合镜头的尺寸由光电转换部分的饱和值确定。光纤耦合镜头收集的光经过初步筛选(滤过可见光波段)，通过光纤到达分光系统。分光系统通过Y型光纤实现将光均分为两路的目的。两路光分别到达光电探测器。光电探测器将两路不同波长的光转化为两路电信号，通过一系列处理将两路电信号调整到合适的范围。再将两路电信号进行模拟运算对得到的结果进行AD采样，经由下位机处理输出最终的温度结果，在显示器上显示。
优选的，在上述的一种基于比色法的光纤超高温测温仪中，光纤耦合镜头由镜片组和光纤连接头组成，其中镜片组至少包括两片镜片，光纤连接头与光纤连接器接头适配，其中光纤连接器接头包括FC接头或PC接头；待测目标辐射的红外光，经镜片组耦合，聚焦到光纤连接头处，耦合进铠装传能光纤。
通过上述的技术方案，本发明的技术效果是：光纤耦合镜头与光纤连接，便于对准热源，使用方便，同时，使用宽带通滤光片，可滤除探测器响应而窄带滤光片无法滤除的光波段，再通过光纤到达分光系统。
优选的，在上述的一种基于比色法的光纤超高温测温仪中，铠装传能光纤芯径为100微米以上。
优选的，在上述的一种基于比色法的光纤超高温测温仪中，Y型光纤分束器的芯径大于或等于铠装传能光纤的芯径。
优选的，在上述的一种基于比色法的光纤超高温测温仪中，滤光片a和滤光片b工作在近红外波段，且在宽带通滤光片的带通内，同时具有不同的透过中心波长，，且中心波长相差50nm以上。
优选的，在上述的一种基于比色法的光纤超高温测温仪中，光电探测器a与光电探测器b均为InGaAs基APD或者PIN光电二极管。
优选的，在上述的一种基于比色法的光纤超高温测温仪中，AD采集a与AD采集b采用的均是8位或者以上AD采样芯片。
为了进一步优化上述技术方案，下位机的主要功能是实现信号的采集、自动增益放大器的控制，温度信息的计算，与上位机的通信，以及将数据信息传送到上位机；其中下位机根据采集到的自动增益放大器的电信号，调整自动增益放大器的放大信息，并将该信息反馈给下位机的计算程序和上位机，用于温度的计算。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于比色法的光纤超高温测温仪，具有响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点且灵敏度高，测温范围大。
本发明的技术效果在于：
(1)本发明选用800～1700nm波段，该波段恰好避开了光纤的“水峰”，光纤透过率高，同时太阳光和等离子体等在这段的含量较低，噪声小，信号纯，测试精度高；
(2)使用光纤耦合镜头，保证了进光量相当，使用铠装传能光线，既提高了耦合效率，又增强了抗强压抗拉伸性能，具有挠性，光纤不易折断，可适用于各种环境；
(3)首先，光纤耦合镜头配合铠装传能光线和滤波片对光线进行初步筛选后(滤除探测器响应而窄带滤光片无法滤除的光波段)，然后通过分光系统的输出端与两个光电探测器的输入端之间均设置的两片中心波长不同的滤波片再次筛选，从而达到保留中心波段、滤掉其它干扰波段的效果，提高了鲁棒性；
(4)信号预处理器，具有精度高、温飘低、稳定性强等；
(5)电路系统高度集成化，仪器体积较小，便携性高，可以于各种环境中使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的原理图；
图2附图为本发明的结构示意图；
图3附图为本发明的光学耦合镜的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种基于比色法的光纤超高温测温仪，具有响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点且灵敏度高，测温范围大。
一种基于比色法的光纤超高温测温仪，包括：光学部分100和电路部分200；光学部分100通过光纤与电路部分200固定连接；
其中，光学部分包括光纤耦合镜头101、铠装传能光纤102、宽带通滤光片103、Y型光纤分束器104、滤光片a105和滤光片b106；光纤耦合镜头101将待测目标辐射的红外光，耦合到铠装传能光纤102，依次通过宽带通滤光片103，Y型光纤分束器104均分成两部分，分别通过滤光片a105和滤光片b106；电路部分包括：光电探测器a211、光电探测器b212、信号预处理器a221、信号预处理器b222、AD采集a231、AD采集b232、下位机204、上位机205和显示器206；光学部分100的输出端分别连接到光电探测器a211、光电探测器b212输入端；光电探测器a211、信号预处理器a221和AD采集a231依次电连接；光电探测器b212、信号预处理器b222和AD采集b232依次电连接；AD采集a231和AD采集b232均与下位机204电连接；下位机204、上位机205和显示器206依次电连接。具体的如图1、图2所示。
为了进一步优化上述技术方案，系统工作在800-1700nm的近红外波段。
为了进一步优化上述技术方案，光纤耦合镜头101由镜片组1011和光纤连接头1012组成，其中所述镜片组1011至少包括两片镜片，所述光纤连接头1012与连接器标准FC接头适配；或所述光纤连接头1012与连接器PC接头适配待测目标辐射的红外光，经所述镜片组1011耦合，聚焦到所述光纤连接头1012处，耦合进铠装传能光纤102，具体地，如图3所示
为了进一步优化上述技术方案，铠装传能光纤102，芯径为100微米以上。
为了进一步优化上述技术方案，Y型光纤分束器104的芯径大于或等于铠装传能光纤102的芯径。
为了进一步优化上述技术方案，滤光片a105和滤光片b106工作在近红外波段，且在宽带通滤光片103的带通内，同时具有不同的透过中心波长，且中心波长相差50nm以上。
为了进一步优化上述技术方案，光电探测器a211与光电探测器b212均为InGaAs基APD或者PIN光电二极管。
为了进一步优化上述技术方案，AD采集a231与AD采集b232采用的均是8位或者以上的AD采样芯片。
为了进一步优化上述技术方案，下位机204的主要功能是实现信号的采集、自动增益放大器的控制，温度信息的计算，与上位机205的通信，以及将数据信息传送到上位机205；其中下位机204根据采集到的信号预处理器中的自动增益放大器的电信号，调整自动增益放大器的放大信息，并将该信息反馈给下位机204的计算程序和上位机205，用于温度的计算。
光线透过光纤耦合镜头101，通过铠装传能光线102、宽带通滤光片103，对光线进行初步筛选后，滤过可见光波段，然后进入Y型光纤分束器104，达到将光均分为两路的目的，两路光通过中心波长不同的滤光片a105和滤光片b106，且两路光波长相差适中，两路光分别到达光电探测器a211、光电探测器b212；光电探测器a211、光电探测器b212将两路不同波长的光转化为两路电信号，通过一系列处理，最后经由下位机204处理，上传到上位机205输出最终的温度结果，在显示器206上显示。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种基于比色法的光纤超高温测温仪，其特征在于，包括：光学部分(100)和电路部分(200)；所述光学部分(100)通过光纤与所述电路部分(200)固定连接；
其中，所述光学部分包括光纤耦合镜头(101)、铠装传能光纤(102)、宽带通滤光片(103)、Y型光纤分束器(104)、滤光片a(105)和滤光片b(106)；所述光纤耦合镜头(101)将待测目标辐射的红外光，耦合到铠装传能光纤(102)，依次通过宽带通滤光片(103)，Y型光纤分束器(104)均分成两部分，分别通过滤光片a(105)和滤光片b(106)；所述电路部分包括：光电探测器a(211)、光电探测器b(212)、信号预处理器a(221)、信号预处理器b(222)、AD采集a(231)、AD采集b(232)、下位机(204)、上位机(205)和显示器(206)；所述光学部分(100)的输出端分别连接到光电探测器a(211)、光电探测器b(212)输入端；所述光电探测器a(211)、所述信号预处理器a(221)和所述AD采集a(231)依次电连接；所述光电探测器b(212)、所述信号预处理器b(222)和所述AD采集b(232)依次电连接；所述AD采集a(231)和所述AD采集b(232)均与所述下位机(204)电连接；所述下位机(204)、所述上位机(205)和所述显示器(206)依次电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于比色法的光纤超高温测温仪，其特征在于，系统工作在800-1700nm的近红外波段。
3.根据权利要求1所述的一种基于比色法的光纤超高温测温仪，其特征在于，所述光纤耦合镜头(101)由镜片组(1011)和光纤连接头(1012)组成，其中所述镜片组(1011)至少包括两片镜片，所述光纤连接头(1012)与光纤连接器接头适配；待测目标辐射的红外光，经所述镜片组(1011)耦合，聚焦到所述光纤连接头(1012)处，耦合进铠装传能光纤(102)。
4.根据权利要求1所述的一种基于比色法的光纤超高温测温仪，其特征在于，所述的铠装传能光纤(102)的接头为标准FC或者PC型，其芯径为100微米以上。
5.根据权利要求1所述的一种基于比色法的光纤超高温测温仪，其特征在于，Y型光纤分束器(104)的芯径大于或等于铠装传能光纤(102)的芯径。
6.根据权利要求1所述的一种基于比色法的光纤超高温测温仪，其特征在于，所述滤光片a(105)和所述滤光片b(106)工作在近红外波段，且在所述宽带通滤光片(103)的带通内，同时具有不同的透过中心波长，，且中心波长相差50nm以上。
7.根据权利要求1所述的一种基于比色法的光纤超高温测温仪，其特征在于，所述光电探测器a(211)与所述光电探测器b(212)均为InGaAs基APD或者PIN光电二极管。
8.根据权利要求1所述的一种基于比色法的光纤超高温测温仪，其特征在于，所述AD采集a(231)与所述AD采集b(232)采用的均是8位或者以上的AD采样芯片。
9.根据权利要求1所述的一种基于比色法的光纤超高温测温仪，其特征在于，下位机(204)与所述上位机(205)进行通信；其中所述下位机(204)根据采集到的电信号，调整信号预处理器的处理信息，并将该信息反馈给所述下位机(204)的计算程序和所述上位机(205)，用于温度的计算。
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Cited By (1)
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2020
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