黃世祥,楊昌文

（1.貴陽(yáng)醫(yī)學(xué)院物理教研室,貴陽(yáng) 550002；2.貴州省麻江縣質(zhì)監(jiān)局,貴州 麻江 55760）

非接觸式紅外測(cè)溫儀瞄準(zhǔn)精度光學(xué)分光模塊設(shè)計(jì)

黃世祥1,楊昌文2

（1.貴陽(yáng)醫(yī)學(xué)院物理教研室,貴陽(yáng) 550002；2.貴州省麻江縣質(zhì)監(jiān)局,貴州 麻江 55760）

非接觸式光纖傳感測(cè)溫儀在實(shí)際的使用過(guò)程中，因高溫、環(huán)境等因素，不能靠近被測(cè)物過(guò)近，在測(cè)溫時(shí)，需要使紅外光先行瞄準(zhǔn)，而先前雙光纖設(shè)計(jì)存在通信線路長(zhǎng)，信號(hào)延遲、儀器體積過(guò)大等不足。本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的需要，設(shè)計(jì)一種新型已公開(kāi)的光通信設(shè)備，應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中，具體涉及一種光學(xué)分光模塊，包括模塊主體，所述的模塊主體內(nèi)設(shè)有相互連通光纖FC接口、紅外探測(cè)器固定孔、激光器固定孔和分光片固定孔等；目的是提供一種能有效解決紅外測(cè)溫儀瞄準(zhǔn)精確且生產(chǎn)簡(jiǎn)單、裝配方便、生產(chǎn)成本不高的光學(xué)分光模塊，應(yīng)用到紅外光纖傳感測(cè)溫儀中。

非接觸；紅外測(cè)溫儀；光學(xué)分光模塊

0 引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝參數(shù)之一，任何物理變化、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)，要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的溫度控制就必須有精度相對(duì)較高的測(cè)溫儀。就測(cè)溫儀形式來(lái)說(shuō)，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。在特定的領(lǐng)域中，非接觸式測(cè)溫有著接觸式不可比擬的優(yōu)越性，例如在有色冶煉、粉末冶金、中高頻感應(yīng)加熱、鑄造、焊接、鍛造、熱處理等領(lǐng)域。目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的非接觸式測(cè)溫工具是紅外測(cè)溫儀。

非接觸式紅外測(cè)溫儀是一種結(jié)合非接觸式測(cè)溫方法和光纖傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度、高重復(fù)性、快速響應(yīng)測(cè)溫儀?，F(xiàn)已廣泛被應(yīng)用在各種工業(yè)測(cè)溫中。因其使用的是雙光纖傳輸紅外光信號(hào)，有著光路不同路，測(cè)量點(diǎn)和瞄準(zhǔn)點(diǎn)不在一條光線上，光纖使用過(guò)程中容易折斷等不足。針?lè)墙佑|式紅外測(cè)溫儀的這一缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用要求，對(duì)使用雙光纖傳輸?shù)姆墙佑|式紅外測(cè)溫儀進(jìn)行技術(shù)改造，將原來(lái)的雙光纖傳輸改為用單光纖連接分光模塊的信號(hào)傳輸形式，其核心為光學(xué)分光模塊的設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品重新作機(jī)械設(shè)計(jì)，用黑體爐標(biāo)定采集出相應(yīng)的電壓信號(hào)值，得到一個(gè)新的產(chǎn)品，以該產(chǎn)品向知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)專利。以下是該產(chǎn)品各部份設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹。

1 光學(xué)分光模塊的設(shè)計(jì)

非接觸式紅外光纖傳感測(cè)溫儀采用光纖探頭與電子處理單元分離的結(jié)構(gòu)，探測(cè)熱源輻射的紅外光密度，紅外光經(jīng)透鏡會(huì)聚于光纖接頭，通過(guò)光纖傳導(dǎo)進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換單元，輸出的電信號(hào)經(jīng)放大、線性化處理后，得到與被測(cè)溫度信號(hào)成線性關(guān)系的電壓（或電流）信號(hào)，將該信號(hào)接入智能數(shù)字顯示表，即可顯示對(duì)應(yīng)的溫度值?？稍O(shè)定報(bào)警溫度區(qū)間以控制所需要的生產(chǎn)溫度；也可將測(cè)溫儀的輸出信號(hào)通過(guò)RS-232串口通信接入計(jì)算機(jī)，通過(guò)設(shè)定工藝曲線，進(jìn)行多點(diǎn)多量程的溫度控制。該光纖傳感測(cè)溫儀的原理框圖如下：

圖一 光纖測(cè)溫儀原理框圖

傳導(dǎo)光纖使用的是雙光纖，接紅外探測(cè)器的這根光纖將光信號(hào)傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器，然后通過(guò)電路作相應(yīng)的信號(hào)處理。另一根光纖傳輸激光，對(duì)測(cè)量溫度沒(méi)有影響，激光器發(fā)出的650nm紅光通過(guò)光纖傳輸?shù)酵哥R的焦點(diǎn)上，經(jīng)透鏡聚焦后瞄準(zhǔn)到被測(cè)溫點(diǎn)。但這樣的描準(zhǔn)方式因兩根光纖之間存在一定的位移差，使得測(cè)量點(diǎn)和瞄準(zhǔn)點(diǎn)不在一條光路上，從而產(chǎn)生很大的誤差。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可使用當(dāng)前光通信行業(yè)的雙向傳輸模塊，但其生產(chǎn)需要具備很高的技術(shù)裝備，如激光焊接機(jī)和光功率機(jī)等，同時(shí)在生產(chǎn)的過(guò)程中要求很高的生產(chǎn)工藝，價(jià)格昂貴，難以推廣。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)分光模塊，使用單光纖傳輸，解決雙光纖傳輸存在的問(wèn)題。同時(shí)更便于產(chǎn)品的生產(chǎn)，廣泛的應(yīng)用到工業(yè)測(cè)溫中，我們選擇后一種方法，具體設(shè)計(jì)如下：

1.1 光學(xué)分光模塊設(shè)計(jì)的技術(shù)方案

非接觸式紅外測(cè)溫分光模塊作為一種實(shí)用新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)，采用的技術(shù)方案是 ：一種光學(xué)分光模塊，包括模塊主體，模塊主體內(nèi)設(shè)有相互連通的光纖 FC 接口、紅外探測(cè)器固定孔、激光器固定孔和分光片固定孔，所述光纖 FC 接口和激光器固定孔同軸向設(shè)置，所述紅外探測(cè)器固定孔垂直于光纖FC 接口和激光器固定孔的軸線，且設(shè)置于光纖 FC 接口和激光器固定孔之間，所述分光片固定孔貫穿于模塊主體上且與紅外探測(cè)器固定孔和激光器固定孔均呈 45 度角設(shè)置。該設(shè)計(jì)取得有益技術(shù)效果：紅光的傳出和紅外光的傳入都是通過(guò)同一光纖FC 接頭同時(shí)傳輸，因此可以有效的確保紅光的瞄準(zhǔn)點(diǎn)和瞄準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)出的紅外光在同一條光線上，可以確保瞄準(zhǔn)準(zhǔn)確無(wú)誤。

激光器固定孔可連接 650nm 或者 635nm 激光器。激光器通電后發(fā)出紅光，紅光透過(guò)分光片后照射到光纖 FC 的光纖端面上，紅光耦合到光纖上，在光纖里傳輸，從光纖的另一個(gè)端面發(fā)射出來(lái)，經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后耦合到照射到被測(cè)物體上。被測(cè)物體發(fā)出的紅外光，經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后耦合到光纖的端面上，通過(guò)光纖的傳輸從光纖的另一個(gè)端面發(fā)射出來(lái)，經(jīng)過(guò)分光片后反射到紅外探測(cè)器上面，紅外探測(cè)器接收到紅光后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，電信號(hào)再經(jīng)過(guò)放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，最終將溫度信號(hào)顯示出來(lái)。

1.2 非接觸式紅外測(cè)溫儀光學(xué)分光模塊的光學(xué)原理及實(shí)物結(jié)構(gòu)

1）分光片光路原理圖如圖二所示：非接觸式紅外測(cè)溫儀采集發(fā)熱體發(fā)出的紅外光，經(jīng)光路1入射到光學(xué)分光片上，經(jīng)光路2傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器，再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由電路對(duì)信號(hào)加以處理。激光器發(fā)出的紅光經(jīng)光路3透射后傳輸?shù)焦饫w端面上，再通過(guò)光纖傳輸出去，根據(jù)光的可逆性原理，該紅光經(jīng)光路1回到透鏡焦點(diǎn)，再照射到被測(cè)物測(cè)溫點(diǎn)。

圖二 分光片的光路圖

圖三 光學(xué)分光模塊側(cè)面剖視圖

2）光學(xué)分光模塊的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖三），光學(xué)分光模塊的側(cè)面剖視圖，其特征在于 ：模塊主體內(nèi)設(shè)有相互連通的光纖FC 接口，（1）紅外探測(cè)器固定孔，（2）激光器固定孔，（3）和分光片固定孔，（4）所述光纖 FC 接口，（1）和激光器固定孔，（3）同軸向設(shè)置，所述紅外探測(cè)器固定孔，（2）垂直于光纖 FC 接口，（1）和激光器固定孔，（3）的軸線，且設(shè)置于光纖 FC 接口，（1）和激光器固定孔，（3）之間，所述分光片固定孔，（4）貫穿于模塊主體上且與紅外探測(cè)器固定孔，（2）和激光器固定孔，（3）均呈 45 度角設(shè)置。光纖 FC 接口，（1）為螺旋接口。激光器固定孔，（3）與光纖 FC接口，（1）根部上設(shè)有縮口段。

3 采用光學(xué)分光模塊設(shè)計(jì)的非接觸式紅外測(cè)溫儀定標(biāo)：

通過(guò)黑體爐溫度對(duì)該測(cè)溫儀的信號(hào)進(jìn)行采集定標(biāo)，采集的溫度范圍為300-1000℃，對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)值如下（見(jiàn)表一）。并以此數(shù)據(jù)作出該電壓信號(hào)的擬合曲線圖（見(jiàn)圖四）。

表一 根據(jù)黑體爐溫度標(biāo)度輸入端電壓

通過(guò)對(duì)表一和圖四的觀察我們可以發(fā)現(xiàn)，光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化出來(lái)的電信號(hào)經(jīng)過(guò)電路放大后得到的信號(hào)是一條曲線，而根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為了便于信號(hào)的顯示，通常需要輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的線性信號(hào)，比如0-5V電壓信號(hào)或者4-20mA電流信號(hào)，此時(shí)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)擬合成的直線與實(shí)際曲線的偏差較大，誤差為滿量程的5％左右。為了提高測(cè)量精度，可以通過(guò)對(duì)曲線進(jìn)行分段擬合和數(shù)字信號(hào)算法處理，形成分段函數(shù)，經(jīng)過(guò)處理后的曲線，此時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)的線性直線更接近，而誤差也會(huì)大大的降低，可以達(dá)到1％以內(nèi)，完全可以達(dá)到大部分的工業(yè)測(cè)溫精度要求。

圖四 電壓擬合曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

非接觸式紅外測(cè)溫儀中實(shí)用新型光學(xué)分光模塊的設(shè)計(jì)，申請(qǐng)專利，讓我們擁有一款造價(jià)便宜，生產(chǎn)工序簡(jiǎn)單，測(cè)量精度相對(duì)較高的工業(yè)紅外測(cè)溫產(chǎn)品，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。在紅外測(cè)溫廣闊的市場(chǎng)里，可取得一定市場(chǎng)份額，產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)效益。

[1]唐岳湘，趙修良.紅外線人體測(cè)溫儀電路的設(shè)計(jì)[J].測(cè)試與測(cè)量 ，2007（11）：9—11.

[2]王中訓(xùn)，于澎.紅外測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2006（02）：15—17.

[3]周書(shū)銓.紅外輻射測(cè)量基礎(chǔ)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社 ，1991：1—12.

[4]袁國(guó)良.光纖通信原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

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