基于光電二極管的瞬態(tài)光學(xué)高溫計(jì)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種能夠?qū)λ矐B(tài)高溫進(jìn)行精確測量的基于光電二極管的瞬態(tài)光學(xué)高溫計(jì)?；诠怆姸O管的瞬態(tài)光學(xué)高溫計(jì)，包括：光信號采集模塊；數(shù)據(jù)采集模塊；顯示模塊。本實(shí)用新型的基于光電二極管的瞬態(tài)光學(xué)高溫計(jì)，可以在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行瞬態(tài)高溫精確檢測，并同時測得材料的發(fā)射率，為研究材料提供很好的依據(jù)；數(shù)據(jù)采集摒棄示波器，采用數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)，將溫度響應(yīng)波形數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)诫娔X上，簡化了對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理操作，減少了人為因素帶入的誤差，保證測量結(jié)果的一致性。本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)對900～8000K高溫進(jìn)行瞬態(tài)檢測，可現(xiàn)場實(shí)時得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是研究沖擊波物理、爆轟物理和火藥燃燒過程的重要設(shè)備。
【專利說明】
基于光電二極管的瞬態(tài)光學(xué)高溫計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種瞬態(tài)光學(xué)高溫計(jì)，特別是涉及一種基于光電二極管的瞬態(tài)光 學(xué)高溫計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 溫度是用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國防現(xiàn)代化的一個最基本、最重要的參數(shù)。根 據(jù)溫度測量的原理和應(yīng)用不同，可以分為接觸式和非接觸式兩類。對于高溫的測量，目前在 接觸式測溫中普遍使用金屬熱電偶測溫，而非接觸式測溫可分為：熱輻射測溫、比色測溫， 將各種測溫方法進(jìn)行對比，如下表：
[0004]可以看出，以上非接觸式測溫方法具有很多優(yōu)勢，但其也存在缺點(diǎn):溫度顯示值受 環(huán)境中存在的介質(zhì)影響較大，對某些不確定物質(zhì)測溫誤差較大。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠?qū)λ矐B(tài)高溫進(jìn)行精確測量的基 于光電二極管的瞬態(tài)光學(xué)高溫計(jì)。
[0006] 本實(shí)用新型解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:基于光電二極管的瞬態(tài)光學(xué)高溫 計(jì)，包括：
[0007] 光信號采集模塊:通過光纖傳光系統(tǒng)采集所需光信號，采用光電轉(zhuǎn)換模塊將采集 到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號；
[0008] 數(shù)據(jù)采集模塊:采用數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)，將電信號進(jìn)行存儲、分析轉(zhuǎn)換為溫度信 息；
[0009] 顯示模塊:實(shí)時顯示實(shí)驗(yàn)溫度信號，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
[0010] 進(jìn)一步的，所述光信號采集模塊包括傳光系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換模塊，所述傳光系統(tǒng)按 光路依次包括光纖探頭、第一傳光光纖、光纖適配器和第二傳光光纖，所述光電轉(zhuǎn)換模塊由 光電二極管模塊和光電轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。
[0011] 進(jìn)一步的，所述第一傳光光纖比第二傳光光纖的芯徑小。
[0012] 進(jìn)一步的，所述光電二極管模塊由光纖適配器、窄帶濾光片和光電二極管構(gòu)成，所 述窄帶濾光片集成在光電二極管的光敏面上。
[0013] 進(jìn)一步的，所述第一傳光光纖為6根獨(dú)立的光纖芯徑集成于一體。
[0014] 進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)采集模塊由數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)與測溫計(jì)算系統(tǒng)構(gòu)成。
[0015] 進(jìn)一步的，所述顯示模塊采用電腦顯示屏，與數(shù)據(jù)采集模塊相連。
[0016] 本實(shí)用新型的有益效果是:本實(shí)用新型的基于光電二極管的瞬態(tài)光學(xué)高溫計(jì)，擁 有六個通道，且各個通道波長均在〇 . 40μπι~1.62μπι的近紅外波段范圍內(nèi)，探測器采用光電 二極管，可以在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行瞬態(tài)高溫精確檢測，并同時測得材料的發(fā)射率，為研究材料 提供很好的依據(jù);數(shù)據(jù)采集摒棄示波器，采用數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)，將溫度響應(yīng)波形數(shù)據(jù)直接 傳輸?shù)诫娔X上，簡化了對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理操作，減少了人為因素帶入的誤差，保證測量 結(jié)果的一致性。本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)對900~8000Κ高溫進(jìn)行瞬態(tài)檢測，其響應(yīng)時間為納秒 級（l〇ns)，可現(xiàn)場實(shí)時得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用簡單，測試結(jié)果準(zhǔn)確，操作簡單，穩(wěn)定性高，是研 究沖擊波物理、爆轟物理和火藥燃燒過程的重要設(shè)備。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2是本實(shí)用新型的數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 圖1是本實(shí)用新型的基于光電二極管的瞬態(tài)光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)用新 型的瞬態(tài)光學(xué)高溫計(jì)包括：
[0020] 光信號采集模塊:通過傳光系統(tǒng)采集所需光信號，采用光電轉(zhuǎn)換模塊將采集到的 光信號轉(zhuǎn)換為電信號；
[0021] 數(shù)據(jù)采集模塊:采用數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)，將電信號進(jìn)行存儲、分析轉(zhuǎn)換為溫度信 息；
[0022] 顯示模塊:實(shí)時顯示實(shí)驗(yàn)溫度信號，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
[0023] 光信號采集模塊包括傳光系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換模塊兩部分，傳光系統(tǒng)按光路依次包括 光纖探頭1、第一傳光光纖2、光纖適配器3和第二傳光光纖4。待測福射源12發(fā)光，經(jīng)過傳光 系統(tǒng)將光傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換模塊。由于瞬態(tài)測溫往往具有破壞性，為節(jié)省成本，傳光光纖由兩 部分組成，第一傳光光纖2采用大芯徑的較短1-6光纖，第二傳光光纖4采用更大芯徑的較長 光纖，光纖適配器3將兩部分光纖連接在一起。第一傳光光纖2比第二傳光光纖4的芯徑小， 原因是為保證兩部分光纖在對接過程中，各個通道光能沒有損耗，避免對測試結(jié)果產(chǎn)生誤 差。
[0024]光電轉(zhuǎn)換模塊由光電二極管模塊和光電轉(zhuǎn)換電路8構(gòu)成。光電二極管模塊由光纖 適配器3、窄帶濾光片6和光電二極管7構(gòu)成，其中，窄帶濾光片6集成在光電二極管7的光敏 面上，使用簡單方便，光纖適配器3將第二傳光光纖4傳輸?shù)墓鈧鬏數(shù)焦怆姸O管7的光敏面 上，光電轉(zhuǎn)換電路8將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。
[0025] 1-6第一傳光光纖2為6根獨(dú)立的光纖芯徑集成于一體，保證采集到輻射源上同一 個點(diǎn)的光，在采集光過程中，6根光纖同時獨(dú)立地接收輻射源發(fā)出的光，而并非采用傳統(tǒng)方 式，單根光纖接收光，再將此部分光能量平均分為幾部分。本實(shí)用新型的傳光系統(tǒng)相比于傳 統(tǒng)方式，各個通道接收的光能量是傳統(tǒng)方式的幾倍，從而使更多的光可以傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換 模塊，由于光能量的增強(qiáng)，因此本實(shí)用新型的裝置測溫范圍增加，可測低溫，保證光電轉(zhuǎn)換 模塊對近紅外光有響應(yīng)，達(dá)到900~8000K寬量程測溫的目的。
[0026]數(shù)據(jù)采集模塊10由數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)20與測溫計(jì)算系統(tǒng)21兩部分構(gòu)成，數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng) 采用采集卡方式，摒棄了傳統(tǒng)的高頻示波器，減小了設(shè)備硬件的體積和資源浪費(fèi)。數(shù)據(jù)采集 模塊10如圖2所示，測量信號的同時性對于應(yīng)用各段波長的算法至關(guān)重要，抗干擾信號屏蔽 線9將通過光電轉(zhuǎn)換電路8轉(zhuǎn)換的電信號輸入到校準(zhǔn)電路13,校準(zhǔn)電路13對輸入信號進(jìn)行處 理，保證多個通道的輸入信號是同時刻的。模擬量輸入通道15保證經(jīng)放大后的電信號輸入 到數(shù)據(jù)采集電路16,進(jìn)行A/D采樣轉(zhuǎn)換，采樣精度12位，將采樣的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA控制器19， 并通過FPGA控制器19內(nèi)的測溫計(jì)算系統(tǒng)21對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，存儲器17與 FPGA控制器19數(shù)據(jù)共享，記錄波形數(shù)據(jù)，進(jìn)行緩沖，同時FPGA控制器19將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與PXI總 線18進(jìn)行交互，電腦顯示屏11對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。
[0027]測溫計(jì)算系統(tǒng)21采用的六個測量波段均在0.40μπι~1.62μπι的近紅外波段范圍內(nèi)， 按照測溫原理，在參考輻射黑體源上用參考溫度法對六波段高溫測量裝置進(jìn)行標(biāo)定，以便 確定儀器的系統(tǒng)常數(shù)Κο(λ?)，與每個通道的波長有關(guān)，包括儀器響應(yīng)函數(shù)及透過函數(shù)等。在 使用黑體輻射源在參考溫度To對裝置進(jìn)行標(biāo)定時，可以得到各個通道的電壓
[0028] j(Ai,T〇)=Ko(Ai)*J(Ai,T〇) (1)
[0029] 按照經(jīng)典理論，絕對黑體的輻射由普朗克公式描述：
(2)
[0031]式(2)中J(A，T)為黑體的光譜輻亮度，T為黑體溫度，λ為輻射波長，Cl = 3.7418X 10-%.111-2為第一輻射常數(shù)，。2=1.4388\10-2111.1^為第二輻射常數(shù)。通過公式(1)與(2)可 以求得各個通道Κο(λ?)。在實(shí)際測溫中，當(dāng)被測對象為灰體時，應(yīng)為：
[0032] j(Ai) = ￡Ko(Ai)J(Ai,T) (3)
[0033] 式(3)中，j(Ai)為λ?處的實(shí)測值，J(Ai，T)為(λ?，Τ)處的理論計(jì)算值，ε為輻射體的 發(fā)射率。多點(diǎn)測量求溫度時，式(3)應(yīng)為：
[0034] Vi = eKo(Ai)J(Ai,T)-j(Ai) (4)
[0035] 在測出i個通道的光譜輻亮度j(Ai)后，按照最小二乘法原理求滿足 (々.二Γ) .... /(七 論
[0036] 相比于傳統(tǒng)的計(jì)算方式，本實(shí)用新型的ε與Τ都是在最終的計(jì)算式中求得，誤差小。
[0037] 本實(shí)用新型的顯示模塊采用電腦顯示屏11，與數(shù)據(jù)采集模塊10相連，將數(shù)據(jù)采集 卡記錄處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，顯示溫度曲線與發(fā)射率。本實(shí)用新型的測溫原理是將待測輻 射體的輻亮度與標(biāo)準(zhǔn)輻射體的輻亮度進(jìn)行比較，測得待測輻射體溫度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于光電二極管的瞬態(tài)光學(xué)高溫計(jì)，其特征在于，包括： 光信號采集模塊:通過傳光系統(tǒng)采集所需光信號，采用光電轉(zhuǎn)換模塊將采集到的光信 號轉(zhuǎn)換為電信號，所述光信號采集模塊包括傳光系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換模塊，所述傳光系統(tǒng)按光 路依次包括光纖探頭（1)、第一傳光光纖(2)、光纖適配器(3)和第二傳光光纖(4)，所述光電 轉(zhuǎn)換模塊由光電二極管模塊和光電轉(zhuǎn)換電路(8)構(gòu)成，所述光電二極管模塊由光纖適配器 (3)、窄帶濾光片(6)和光電二極管(7)構(gòu)成，所述窄帶濾光片(6)集成在光電二極管(7)的光 敏面上； 數(shù)據(jù)采集模塊（10):采用數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)，將電信號進(jìn)行存儲、分析轉(zhuǎn)換為溫度信 息； 顯示模塊:實(shí)時顯示實(shí)驗(yàn)溫度信號，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。2. 如權(quán)利要求1所述的基于光電二極管的瞬態(tài)光學(xué)高溫計(jì)，其特征在于，所述第一傳光 光纖(2)比第二傳光光纖(4)的芯徑小。3. 如權(quán)利要求1所述的基于光電二極管的瞬態(tài)光學(xué)高溫計(jì)，其特征在于，所述第一傳光 光纖(2)為6根獨(dú)立的光纖芯徑集成于一體。4. 如權(quán)利要求1所述的基于光電二極管的瞬態(tài)光學(xué)高溫計(jì)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集 模塊(10)由數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)(20)與測溫計(jì)算系統(tǒng)(21)構(gòu)成。5. 如權(quán)利要求1所述的基于光電二極管的瞬態(tài)光學(xué)高溫計(jì)，其特征在于，所述顯示模塊 采用電腦顯示屏（11)，與數(shù)據(jù)采集模塊(10)相連。
【文檔編號】G01J5/10GK205679318SQ201620416436
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月10日 公開號201620416436.3, CN 201620416436, CN 205679318 U, CN 205679318U, CN-U-205679318, CN201620416436, CN201620416436.3, CN205679318 U, CN205679318U
【發(fā)明人】劉建軍, 雷偉國, 李紅星, 徐家文
【申請人】四川海恩瑞捷測控技術(shù)有限公司