光學(xué)創(chuàng)新型測(cè)溫儀的研制

就測(cè)溫儀形式來說，可歸納為接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩種。不同的被測(cè)目標(biāo)必須采用不同的測(cè)溫形式，比如測(cè)定冶煉爐內(nèi)鋼液的溫度，因?yàn)榉墙佑|式只能測(cè)定發(fā)熱體表面的溫度，而鋼液表面有很厚的爐渣層，加上爐內(nèi)本身存在溫度梯度，故只有插入鋼液內(nèi)部，采用接觸式測(cè)溫的形式才能比較正確地測(cè)定鋼液的溫度。又比如測(cè)定回轉(zhuǎn)體、運(yùn)動(dòng)體某點(diǎn)的溫度，只有采用非接觸式測(cè)溫的方式比較合適，當(dāng)然也可采用把溫度傳感器直接安裝在運(yùn)動(dòng)體上，讓其發(fā)射與溫度相對(duì)應(yīng)的電磁波，再經(jīng)無線接收其電磁波。這也是一種方法，但在惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)起來比較困難。

 1．現(xiàn)狀

   各種各樣的測(cè)溫工具和儀器均會(huì)受到某種條件的限制。比如用水銀溫度計(jì)測(cè)量體溫，對(duì)成人來說很簡(jiǎn)單，而對(duì)嬰兒來說就比較麻煩。若聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控多個(gè)嬰兒的體溫變化，則更困難。又如采用熱電偶測(cè)溫，若在微變化、相對(duì)靜態(tài)的溫度場(chǎng)中測(cè)溫時(shí)，則精度很高，但在溫度起伏較大的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)中測(cè)溫時(shí)，則精度很低。因?yàn)闇囟纫�起兩種不同金屬材料做成的端點(diǎn)熱電勢(shì)不同，它需要有一個(gè)熱平衡時(shí)間，根本測(cè)不出溫度的動(dòng)態(tài)變化，所以在玻璃生產(chǎn)線、陶瓷生產(chǎn)線等多種場(chǎng)合下，將多個(gè)熱電偶聯(lián)結(jié)計(jì)算機(jī)顯示記錄的數(shù)據(jù)是一種假像。這是由于計(jì)算機(jī)的高速響應(yīng)，必須要有高響應(yīng)速度的傳感器與之匹配。采用普瑯克輻射原理，接收發(fā)熱體的輻射波，從而轉(zhuǎn)換成發(fā)熱體的相應(yīng)溫度的測(cè)溫儀是目前最廉價(jià)的高響應(yīng)速度的測(cè)溫儀。由于物體在溫度升高或降低的過程中，紅外波強(qiáng)度對(duì)溫度變化的影響最大，所以一種容易實(shí)現(xiàn)的非接觸式紅外測(cè)溫儀應(yīng)運(yùn)而生。

    紅外測(cè)溫儀雖然實(shí)現(xiàn)了非接觸式測(cè)溫，但問題是低溫源的紅外輻射波強(qiáng)度弱，紅外測(cè)溫儀只能靠近被測(cè)物，否則要設(shè)計(jì)一種能接收中紅外、遠(yuǎn)紅外的光學(xué)系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的低溫檢測(cè)。另外，紅外測(cè)溫儀由于儀器本身的限制，它不能靠近很多惡劣環(huán)境，如高溫、強(qiáng)電磁場(chǎng)、酸堿揮發(fā)、有毒有害氣體等多種場(chǎng)合，同樣也不能通入窄小空間(如不能測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)渦流燃燒室的溫度)。而筆者研制的光學(xué)創(chuàng)新型測(cè)溫儀不僅可以實(shí)現(xiàn)接觸式或非接觸式測(cè)量，而且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

 2．原理

     筆者從事光纖傳感技術(shù)的研究三十余年，認(rèn)為采用光纖溫度傳感器做成的測(cè)溫工具和測(cè)溫儀可以克服現(xiàn)有測(cè)溫儀的多項(xiàng)弱點(diǎn)。 

    1980 年，筆者設(shè)計(jì)并拉制了一段光纖，將它通入熔煉玻璃的高溫爐內(nèi)，爐膛升溫、降溫和保溫的過程在光功率計(jì)上可得到明確的顯示。我們又將這段光纖從爐內(nèi)逐步移至爐體外也同樣可以測(cè)量到其溫度變化的過程。這一過程證實(shí)了采用傳感器專用光纖，既可以進(jìn)行接觸式測(cè)溫，也可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)溫，只要充分利用光纖的限波、濾波、穩(wěn)模、分波、分路和傳輸?shù)忍匦裕�完全可以做成�?yōu)于同類產(chǎn)品的測(cè)溫儀。因?yàn)楣饫w完全可以在惡劣環(huán)境下工作，可以通入窄小空間；光纖也可以做成光纜，使傳感頭離發(fā)熱區(qū)最近，而接收信號(hào)可遠(yuǎn)離發(fā)熱體，實(shí)現(xiàn)一線制傳輸溫度信號(hào)；光纖也可以很短，使整個(gè)測(cè)溫儀體積小巧；光纖也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分布溫度的測(cè)定，在一定的范圍內(nèi)，只利用一根光纖來顯示所有被測(cè)點(diǎn)的溫度。

      因?yàn)橛猩鲜鰞?yōu)點(diǎn)，我們很快做成了光纖傳感非接觸式測(cè)溫儀，申請(qǐng)了有關(guān)測(cè)溫儀的兩個(gè)專利“89.221891X”和“ZL93.117453.”，并獲得了專利證書。

     簡(jiǎn)言之，通訊光纖只有光波傳輸?shù)淖饔�，傳感光纖要起到既‘傳’又‘感’的作用。但是要實(shí)現(xiàn)光纖傳感器長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)，必須實(shí)現(xiàn)光學(xué)數(shù)字化。要解決光學(xué)數(shù)字化，首先要排除信號(hào)處理部分的內(nèi)外干擾，比如非接觸測(cè)溫時(shí)，由于被測(cè)發(fā)熱體的材料不同，其發(fā)射率ε(λT)不同，在信號(hào)處理部分專門要設(shè)置一個(gè)輻射系數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕。如果把一列輻射波分成兩列波長(zhǎng)鄰近的輻射波，設(shè)一列輻射波強(qiáng)度為A?ε(λT)；另一列為B?ε(λT)，由于ε(λ1T)≈ε(λ2T)，因此A?ε(λ1T)/B?ε(λ2T) =A/B，我們稱之為雙波長(zhǎng)比較法，可在信號(hào)處理部分不設(shè)置輻射率調(diào)節(jié)按鈕。

     當(dāng)然通過雙波長(zhǎng)比較，還能排除非接觸距離內(nèi)(指發(fā)熱體與測(cè)溫儀輻射波接收端之間)灰塵、煙霧和蒸氣等衰減物造成的誤差，因?yàn)檫@些干擾將使A和B放大或縮小的倍數(shù)相等，所以它們相比較時(shí)值不變，因此理論上沒有問題。然而用電子的方法實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)比較，其成本大幅度提高，調(diào)整也十分麻煩，盡管電子器件日新月異，但目前還不能有效地解決這一問題。若要采用三波長(zhǎng)、四波長(zhǎng)的光強(qiáng)比較，則更加復(fù)雜困難。此外還有信號(hào)處理電路本身引起的干擾。比如共模電壓、共地電流、電源波動(dòng)、環(huán)境溫度等導(dǎo)致測(cè)溫儀分辯率、精度、可靠性和穩(wěn)定性降低。

     因此要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，首先要排除內(nèi)外干擾，否則數(shù)字信號(hào)的域值范圍不可能穩(wěn)定。而光學(xué)創(chuàng)新型測(cè)溫儀是采用光纖做成一個(gè)光學(xué)模擬除法器接觸代替電子芯片做成的模擬除法器。

 3．創(chuàng)新的特征

   2001年我在美國(guó)的公司中推出了光學(xué)創(chuàng)新型測(cè)溫儀，并申請(qǐng)了美國(guó)專利“US6.357.918BI(03/19/2002)”，又相繼發(fā)明了光學(xué)多參數(shù)比較器，即把一路光信號(hào)分成兩路或更多路，然后自身相比較，輸出光信號(hào)。還發(fā)明了光場(chǎng)變換器，可以將難以處理的弱信號(hào)轉(zhuǎn)換成較容易處理的強(qiáng)信號(hào)；光電差動(dòng)放大器，光學(xué)濾波、隔離、穩(wěn)模等光學(xué)器件代替了需要多個(gè)電子芯片才能完成的功能，使測(cè)溫儀的性價(jià)比得到了很大提高。這些光學(xué)創(chuàng)新型器件為光纖傳感中的光學(xué)數(shù)字化奠定了良好的基礎(chǔ)。因此它的特征可歸納為兩條：一條是采用光纖傳感器獲取溫度信息；另一條是采用光學(xué)信息處理技術(shù)與電子信息處理技術(shù)相結(jié)合的方法制作信號(hào)處理電路，最后輸出不失真的溫度信號(hào)。

 4．結(jié)語

     實(shí)踐證明，采用光纖光學(xué)的方法，對(duì)于外部光纖型的測(cè)溫儀可以將信號(hào)處理單元放置在任何一個(gè)位置，對(duì)于內(nèi)部光纖型的測(cè)溫儀，或光纖傳感頭部在一定距離范圍內(nèi)對(duì)準(zhǔn)同一點(diǎn)溫度，其輸出值不變，即與距離無關(guān)。

     選擇帶有光學(xué)多參數(shù)比較器的光學(xué)創(chuàng)新型測(cè)溫儀，能安全可靠地在惡劣環(huán)境下工作。選擇帶有場(chǎng)變換器的光學(xué)創(chuàng)新型測(cè)溫儀，可在弱信號(hào)或低溫測(cè)量中實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)�？梢愿鶕�(jù)用戶需要做成對(duì)微小光斑測(cè)定和量級(jí)的高速響應(yīng)，既可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)溫又可實(shí)現(xiàn)接觸式測(cè)溫。