红外光纤测温仪设计

摘要: 介绍一种FOP非接触式光纤测温仪的设计原理,FOP系列非接触式测温仪是一种结合非接触测温方法和光纤传感技术,结合国内外红外技术的发展和应用,简绍红外技术的基础理论,阐述光纤测温仪的工作原理、发展和分类。

关键词: 红外;测温;FOP;光纤传感技术

中图分类号:TN2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0310024-01

红外检测技术是“九五”国家科技成果重点推广项目,红外检测是一种在线监测(不停电)式高科技检测技术,它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身,通过接收物体发出的红外线(红外辐射),将其热像显示在荧光屏上,从而准确判断物体表面的温度分布情况,具有准确、实时、快速等优点。

FOP非接触式光纤测温仪以传感器技术为基础,涵盖了光学、信号处理、单片机、电子等多个学科,主要由光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等功能模块组成。

1 该设计的主要特点

1)FOP非接触式光纤测温仪利用光纤的空间滤波效应,使入射光波从空间瞬态变为空间稳态,消除杂散光的影响,提高了测量精度和稳定性,实现了遥测技术。2)将光纤探头和电子处理单元隔离,使信号处理部分不受环境高温的影响,并提高了抗电磁干扰能力。3)非接触测量极大的提高了产品的使用寿命。4)根据热源温度,选择紫外,可见和红外等最佳的工作波段。该产品可广泛的应用于冶炼、粉末冶金、精密铸造、轧钢、电力、化工、玻璃、陶瓷、热处理、中高频感应加热、焊接等行业。

2 红外测温仪的工作原理

红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。被测物体和反馈源的辐射线经调制器调制后输入到红外检测器。两信号的差值经反放大器放大并控制反馈源的温度,使反馈源的光谱辐射亮度和物体的光谱辐射亮度一样。显示器指出被测物体的亮度温度。

红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪(辐射比色测温仪)。对于单色测温仪,在进行测温时,被测目标面积应充满测温仪视场。建议被测目标尺寸超过视场大小的50%为好。如果目标尺寸小于视场,背景辐射能量就会进入测温仪的视声符支干扰测温读数,造成误差。相反,如果目标大于测温仪的视场,测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。对于比色测温仪,其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小,不充满视场,测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡,对辐射能量有衰减时,都不对测量结果产生重大影响。对于细小而又处于运动或震动之中的目标,比色测温仪是最佳选择。这是由于光线直径小,有柔性,可以在弯曲、阻挡和折叠的通道上传输光辐射能量。

3 系统框图

图3-1硬件框图 图3-2原理框图

光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量,视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法计算和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。除此之外,还应考虑目标和测温仪所在的环境条件,如温度、气氛、污染和干扰等因素对性能指标的影响及修正方法。

红外测温仪用来测量物体表面温度,测温仪的光学元件发射的、反射的以及透过的能量会聚到探测器上,测温仪的电子元件将此信息转换成温度读数并显示在测温仪的显示面板上。红外测温仪显示的温度常称为目标的亮度温度,与物体真实温度有此差别,因为物体发射率对辐射测温有一定的影响,自然界中存在的实际物体,几乎都不是黑体。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外,还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此,为使黑体辐射定律适用于所有实际物体,必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数,即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度,其值在0到1之间。根据辐射定律,只要知道了材料的发射率,就知道了任何物体的红外辐射特性。

4 总结

非接触式红外测温技术近十年来得到不断发展,除了传统的钢铁行业炼钢高温和化工行业有毒环境外,已在许多领域得到普遍应用,尤其值得一提的是2005年可怕的SARS病毒肆虐时的非典期。红外测温仪的适用范围不断扩大,在产品质量控制和监测、设备故障诊断以及节约能源等方面发挥着重要作用。红外测温仪已被证实是检测和诊断电子设备故障的有效工具。可节省大量开支,用红外测温仪,可连续诊断电子连接问题:通过查找在DC电池上输出滤波器连接处的热点,可以检测不间断电源(UPS)的功能状态;也可检验电池组件和功率配电盘接线端子、开关齿轮或保险丝连接,防止能源消耗。由于松的连接器会产生热,红外测温仪有助于识别回路中断器的绝缘故障或监视电子压缩机;日常扫描变压器的热点可探测开裂的绕组和接线端子。

红外线测温仪技术在生产过程中,在产品质量控制和监测,设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面都发挥了着重要作用。随着科学技术的发展,它必将会的到更广的发展前景。

参考文献:

[1]FOP系列非接触光纤测温仪,使用说明书,武汉迪凯光电科技有限公司,2005.

[2]陈远金、程永进、吴雄伟,红外温度传感器的设计与实现,湖北武汉:中国地质大学武汉机电学院,2004.

[3]吴福田、冯书文,红外光纤测温仪光学系统设计原理,山东大学,1996.

作者简介:

丁一,硕士研究生,武汉科技学院电信学院,研究方向:物理电子学;毛明科,硕士研究生,武汉科技学院电信学院,研究方向:太阳能光伏发电技术。