1 导言
温度作为一种重要的热工参数，在工业生产中许多场合要求完结实时主动监测和操控温度，而高温的精确及快速丈量在冶金、化工、动力、建材等工业范畴中有着十分重要的含义。现在主要有触摸式的热电偶测温文非触摸式的辐射测温两种办法。尽管触摸式测温能够比较精确的测出被测温度场的实在温度，但触摸式测温在丈量时有必要与被测温度场触摸，这样破坏了被测温度场，使测出的温度与实在温度有必定的差错。非触摸式测温克服了上述的差错，但非触摸式测温因为遭到测温间隔、物体发射率等影响，其测出的温度也不精确。与传统的热电偶温度计和辐射式温度计比较，光纤黑体腔高温计能运用于任何场所，不受空间和环境约束，不只延长了运用寿命，进步了触摸法测温的丈量上限，而且避免了辐射式测温的较大差错，进步了丈量精席。
2 传感器作业原理
传统的高温丈量一般选用光纤辐射式温度丈量体系，针对传统辐射式温度丈量体系测温精确度低，易腐蚀，寿命短等缺乏，选用黑体腔结合光纤辐射式测温体系组成的触摸式高温测验体系以普朗克黑体辐射理论为根底，运用黑体腔触摸温度源，运用光纤辐射温度丈量体系对黑体腔辐射进行丈量，以此完结温度源的丈量。
首要在蓝宝石单晶光纤的一端镀制一层陶瓷薄膜，然后再套上耐高温的不锈钢外壳，构成黑体腔探头。将黑体腔探头放入被测温度场中，黑体腔外外表吸收来自被测物体宣布的热辐射信号，与此一起黑体腔内外表宣布热辐射信号，这种热辐射信号经过光纤耦合器并经光纤传输后经过干涉滤光片。再由固态光电倍增管SSPM(Solid-state Photomult iplier)接纳，最终经过相关信号处理电路后输出成果。传感器的作业原理如图1所示。
3 光纤黑体腔的构成
黑体腔探头的规划是蓝宝石光纤高温传感器研发的要害，为了得到最优化黑体腔传感器探头，有必要对影响黑体腔有用发射率的要素进行剖析。黑体空腔传感器因为几许结构特色以及腔外环境温度等要素的影响，其积分发射率必定小于1，且具有较大的不确定性。因而树立黑体腔腔体的结构模型和有限元模型，并研究其几许特性、温度散布等要素对腔体发射率的影响，关于黑体空腔的优化规划和进步测温体系的精确度具有重要的含义。近年来，人们选用各种办法核算黑体腔发射率，主要有屡次反射法、Monte—Carlo法和积分方程法。2008年刘仁学等树立了圆筒形黑体空腔有限元模型，运用ANSYS对黑体腔腔体发射率进行了仿真，仿真成果与公式核算成果具有较好的一致性。本文选用积分方程理论，树立了黑体腔结构模型，对黑体腔的结构参数进行研究，剖析各个参数对黑体腔腔体发射率的影响。
3.1 黑体腔结构模型
以常用的圆筒型黑体腔为例，其结构模型如图2所示。图中，r为黑体腔筒底坐标轴、x为旁边面坐标轴，z为盖面的坐标轴;L为圆筒筒长;Z为圆筒半径;R0为圆筒开口半径;RD为接纳器半径;H为接纳器到腔口的间隔。
黑体腔腔体的有用发射率εa界说为：
依据以上圆筒型腔体模型，能够求解得到黑体腔内各个节点的有用发射率，然后依据以下公式得到黑体腔积分发射率：
经过核算黑体腔积分发射率，剖析各个结构参数对黑体腔发射率的影响，进步黑体腔功能。
3.2 圆筒型腔体发射率剖析
以常用的带盖圆筒形黑体腔为例，剖析黑体腔腔体长度、开口半径巨细、腔体资料发射率、接纳器到腔口的间隔对黑体腔发射率的影响。
以腔体底面半径R为规范，当R=1，长径比L/R=5，资料发射率ε别离取0.1、0.5、0.8，孔径比R0/R别离取0.1～0.9，腔体发射率如图3所示：
由图3可知，腔体发射率受腔体开口巨细的影响，孔径比R0/R值越小腔体发射率越大，但从运用上考虑，黑体腔的开口应足够大，可为接纳器供给较大的视场。腔体的资料发射率ε对黑体腔的影响与腔体的其他要素相关;当R0/R较大时，腔体的资料发射率对腔体发射率的影响较大，但当R0/R较小时，腔体的资料发射率对腔体发射率的影响就很小了。
当孔径比R0/R=0.5时，资料发射率ε别离取0.1、0.5、0.8，长径比L/R别离取1～10，腔体发射率如图4所示：
由图4能够得出长径比L/R是影响黑体腔发射率的重要要素之一，L/R越大，腔体发射率越大，可是跟着L/R增大到必定程度时，其腔体发射率的改变已不大，而且腔体长度过长会添加黑体腔制作本钱。
当圆筒形黑体腔结构参数为：L=10，R=2，R0=1，ε=0.1，H别离取0～40时，黑体腔积分发射率的改变如图5所示。
接纳器到腔口的间隔H对黑体腔的影响很大、εc跟着H的增大先增大后减小，逐步趋于稳定、这主要是因为腔壁的散布不均匀性导致。考虑详细实际条件H取值规模在10左右。
综上可知，黑体腔腔体长度、开口半径、资料自身发射率、接纳器到腔口的间隔对黑体腔发射率都有影响。当黑体腔长径比为3—5，孔径比为0.5，接纳器到腔口的间隔为10左右，腔体资料自身发射率较高时，黑体腔腔体发射率较高。
4 光电转化模块
光电勘探部分的规划也是蓝宝石光纤高温传感器的要害技术之一，它直接影响着整个传感器的呼应时刻、灵敏度等要素。本文的光电转化模块由SENSEL公司的SPMMicro103 5×18型固态光电倍增管(如图6所示)和与之配套的跨阻扩大器组成，该模块主要是对微光信号进行勘探及扩大，能一起检测沟通和直流信号，有较好的信噪比。该SSPM外形较小，感光面积仅为1 mm2，共有400个作业于Geiger形式下的APD微元，其增益大于106，呼应时闯小于100ns，具有较低的供电电压，在可见光规模内具有较高的光子勘探功率，约为13.5%(如图7所示)。依据维恩位移规律得知温度升高时，辐射强度的最大值向短波方向移动，所以此SSPM契合高温测验的需求。
5 无线通信模块
典型的光纤高温测验体系由被测目标、测温主机、发射传输设备及接纳设备组成。本文选用丈量主机与无线通信从机的双机形式完结。图8为丈量主机原理框图，丈量主机完结温度数据的收集处理，由光纤高温测验体系和单片机MSP430F149组成。选用多路AD芯片(MSP430内部AD)完结模仿量到数字量的转化，而且留有其它模仿量的丈量通道，可扩展比如湿度等其他模仿量的监控。为了补偿环境温度可衔接环境温度传感器DS18B20。选用无线收发模块PTR8000模块完结数据的无线传输，讯通公司的PTR8000带有内置环形天线，可直接与单片机衔接，无须外接其他器材，完结数据的无线收发。
无线通信从机完结数据的接纳。为了完结PTR8000与PC机的数据交换在无线通信从机中运用RS232接口。在监控PC机上，选用C++开发上位机的人机接口界面。体系电路(见图9)分为测温及发射板(丈量主机)、接纳板(无线通信从机)该体系中主机的使命是完结数据收集与处理，包含进行A/D转化、环境温度补偿，对行将传送来的数字信号进行安排处理。发射端的PTR8000将单片机的信息调制成射频信号宣布，接纳端的PTR8000模块将接纳到的信息，解调成为TTL电平，由单片机处理后经由RS232接口送到PC，供核算机后期处理。
6 试验及定论
为了验证体系的功能，以氧炔焊机作为热源对其进行测验。传感器测验设备由氧炔焊机、蓝宝石光纤传感器、红外辐射测温仪、核算机组成。其间，氧炔焰最高温度可达3000℃，红外辐射测温仪经过高温黑体炉校准，测温规模为1000～3000℃。首要敞开并调理氧炔焊机使其到达必定温度，运用红外测温仪测得温度，然后将传感器黑体腔探头快速触摸热源测得其信号。表1为体系测温数据，试验标明，蓝宝石光纤黑体腔高温传感器测温规模为800～2000℃，测温精度为丈量精度为1%，丈量重复性为0.3%。
综上所述，此丈量体系具有测温规模广、呼应快、稳定性高、抗电磁干扰功能强等长处，能进行特别环境下的实时高温测验。在冶金、机械、化工、建材等职业的被测体温度的丈量与在线操控中有广泛运用远景，对产品的质量保证与操控有重要含义。
