光学创新型测温仪的研制

HEATS

　　就测温仪形式来说，可归纳为接触式测温和非接触式测温两种。不同的被测目标必须采用不同的测温形式，比如测定冶炼炉内钢液的温度，因为非接触式只能测定发热体表面的温度，而钢液表面有很厚的炉渣层，加上炉内本身存在温度梯度，故只有插入钢液内部，采用接触式测温的形式才能比较正确地测定钢液的温度。又比如测定回转体、运动体某点的温度，只有采用非接触式测温的方式比较合适，当然也可采用把温度传感器直接安装在运动体上，让其发射与温度相对应的电磁波，再经无线接收其电磁波。这也是一种方法，但在恶劣环境下实现起来比较困难。

% H# t; p" ~. u0 o

　　1.现状

　　各种各样的测温工具和仪器均会受到某种条件的限制。比如用水银温度计测量体温，对成人来说很简单，而对婴儿来说就比较麻烦。若联网监控多个婴儿的体温变化，则更困难。又如采用热电偶测温，若在微变化、相对静态的温度场中测温时，则精度很高，但在温度起伏较大的动态温度场中测温时，则精度很低。因为温度引起两种不同金属材料做成的端点热电势不同，它需要有一个热平衡时间，根本测不出温度的动态变化，所以在玻璃生产线、陶瓷生产线等多种场合下，将多个热电偶联结计算机显示记录的数据是一种假像。这是由于计算机的高速响应，必须要有高响应速度的传感器与之匹配。采用普琅克辐射原理，接收发热体的辐射波，从而转换成发热体的相应温度的测温仪是目前最廉价的高响应速度的测温仪。由于物体在温度升高或降低的过程中，红外波强度对温度变化的影响最大，所以一种容易实现的非接触式红外测温仪应运而生。

　　红外测温仪虽然实现了非接触式测温，但问题是低温源的红外辐射波强度弱，红外测温仪只能靠近被测物，否则要设计一种能接收中红外、远红外的光学系统，才能实现较远距离的低温检测。另外，红外测温仪由于仪器本身的限制，它不能靠近很多恶劣环境，如高温、强电磁场、酸碱挥发、有毒有害气体等多种场合，同样也不能通入窄小空间(如不能测定发动机涡流燃烧室的温度)。而笔者研制的光学创新型测温仪不仅可以实现接触式或非接触式测量，而且可以实现远程监控。

. G7 S1 @! U0 y) t) b

　　2.原理

　　笔者从事光纤传感技术的研究三十余年，认为采用光纤温度传感器做成的测温工具和测温仪可以克服现有测温仪的多项弱点。

8 A( @3 c. Q, |# C/ w. F! t

　　1980年，笔者设计并拉制了一段光纤，将它通入熔炼玻璃的高温炉内，炉膛升温、降温和保温的过程在光功率计上可得到明确的显示。我们又将这段光纤从炉内逐步移至炉体外也同样可以测量到其温度变化的过程。这一过程证实了采用传感器专用光纤，既可以进行接触式测温，也可以实现非接触式测温，只要充分利用光纤的限波、滤波、稳模、分波、分路和传输等特性，完全可以做成优于同类产品的测温仪。因为光纤完全可以在恶劣环境下工作，可以通入窄小空间；光纤也可以做成光缆，使传感头离发热区最近，而接收信号可远离发热体，实现一线制传输温度信号；光纤也可以很短，使整个测温仪体积小巧；光纤也可以实现对分布温度的测定，在一定的范围内，只利用一根光纤来显示所有被测点的温度。

z1 `+ f- c7 T8 r6 n

　　因为有上述优点，我们很快做成了光纤传感非接触式测温仪，申请了有关测温仪的两个专利“89.221891X”和“ZL93.117453.”，并获得了专利证书。

: V2 D* _/ `8 H( H

　　简言之，通讯光纤只有光波传输的作用，传感光纤要起到既‘传’又‘感’的作用。但是要实现光纤传感器长距离传输信号，必须实现光学数字化。要解决光学数字化，首先要排除信号处理部分的内外干扰，比如非接触测温时，由于被测发热体的材料不同，其发射率ε(λT)不同，在信号处理部分专门要设置一个辐射系数调节旋钮。如果把一列辐射波分成两列波长邻近的辐射波，设一列辐射波强度为A?ε(λT)；另一列为B?ε(λT)，由于ε(λ1T)≈ε(λ2T)，因此A?ε(λ1T)/B?ε(λ2T) =A/B，我们称之为双波长比较法，可在信号处理部分不设置辐射率调节按钮。

　　当然通过双波长比较，还能排除非接触距离内(指发热体与测温仪辐射波接收端之间)灰尘、烟雾和蒸气等衰减物造成的误差，因为这些干扰将使A和B放大或缩小的倍数相等，所以它们相比较时值不变，因此理论上没有问题。然而用电子的方法实现双波长比较，其成本大幅度提高，调整也十分麻烦，尽管电子器件日新月异，但目前还不能有效地解决这一问题。若要采用三波长、四波长的光强比较，则更加复杂困难。此外还有信号处理电路本身引起的干扰。比如共模电压、共地电流、电源波动、环境温度等导致测温仪分辩率、精度、可靠性和稳定性降低。

8 Q' H0 d, d! O9 { ; s, g5 s* L: ?! T

　　因此要实现数字化，首先要排除内外干扰，否则数字信号的域值范围不可能稳定。而光学创新型测温仪是采用光纤做成一个光学模拟除法器接触代替电子芯片做成的模拟除法器。

) Y4 \: M8 x" ~5 Q1 U , P' @3 J% t- C# x* r5 O6 d; E

　　3.创新的特征

　　2001年我在美国的公司中推出了光学创新型测温仪，并申请了美国专利“US6.357.918BI(03/19/2002)”，又相继发明了光学多参数比较器，即把一路光信号分成两路或更多路，然后自身相比较，输出光信号。还发明了光场变换器，可以将难以处理的弱信号转换成较容易处理的强信号；光电差动放大器，光学滤波、隔离、稳模等光学器件代替了需要多个电子芯片才能完成的功能，使测温仪的性价比得到了很大提高。这些光学创新型器件为光纤传感中的光学数字化奠定了良好的基础。因此它的特征可归纳为两条：一条是采用光纤传感器获取温度信息；另一条是采用光学信息处理技术与电子信息处理技术相结合的方法制作信号处理电路，最后输出不失真的温度信号。

6 R" c% l$ G1 U Q8 X 7 _/ N! y3 F' R' v% P- h$ k+ Y

　　4.结语

& _6 F2 M. o% M' m+ l' A : [' C! _" c0 h/ O( H4 Y1 N

　　实践证明，采用光纤光学的方法，对于外部光纤型的测温仪可以将信号处理单元放置在任何一个位置，对于内部光纤型的测温仪，或光纤传感头部在一定距离范围内对准同一点温度，其输出值不变，即与距离无关。

8 b- U% g. s" w+ U) n! r5 N

　　选择带有光学多参数比较器的光学创新型测温仪，能安全可靠地在恶劣环境下工作。选择带有场变换器的光学创新型测温仪，可在弱信号或低温测量中实现高精度检测。可以根据用户需要做成对微小光斑测定和量级的高速响应，既可实现非接触式测温又可实现接触式测温。【MechNet】

>