基于单片机的光纤高温计的研究与设计

1 引言

高温区（800-2000K）的精确测量已成为科学研究和工业生产中的重要课题。目前主要测量方法有接触式的热电偶温度计和非接触式的辐射温度计。与热电偶温度计和辐射式温度计相比，光纤高温计不仅提高了接触法测温的测量上限，延长了使用寿命，而且避免了辐射式测温的较大误差[1]，提高了测量精度。蓝宝石（单晶氧化铝）光纤具有高达2050℃的熔点，采用蓝宝石光纤制作高温传感器，利用单片机控制进行比色测温，同时，由通信系统将测量结果传到控制网络，基本可以满足高温测量的需求。

2 蓝宝石光纤高温计测温原理

蓝宝石光纤高温计是以黑体辐射理论为基础的温度传感器。传感器探头是在单晶蓝宝石光纤的一端制作封闭的圆柱形黑体腔，当黑体腔被置入待测温场后，腔体与外界温场达到热平衡状态，并发出黑体辐射信号，根据普朗克定律，蓝宝石光纤黑体腔置于温度为 的区域时，其单色辐射能通量为

只要求出两路光强比值，就可计算出被测物体的温度。

3 蓝宝石光纤高温计的设计

蓝宝石光纤测温系统的结构如图1所示。系统由蓝宝石光纤黑体腔、传光光纤、光纤耦合器、波分复用器、光电探测器、放大器、A/D转换装置、单片机、输出设备和网络接口等组成。传感器是在蓝宝石光纤上制作的耐高温黑体腔，黑体腔发出的光信号由蓝宝石光纤耦合到传光的石英光纤，然后经波分复用器分成两路不同波长的光信号，分别通过探测器转换为电信号，电信号再经放大、A/D转换进入单片机进行比色法的数据处理，最后由显示器输出测量结果。高温计可通过现场总线接口接入控制网络，实现通信功能。

图1 蓝宝石测温系统结构图

4 光纤高温探头的结构分析

探头是高温计的关键部分，探头的性能决定了高温计测温的上限、精度、重复性和稳定性。由于探头直接接触高温环境，所以对它的性能要求非常高。理想的高温探头应具备热辐射能力强、动态响应快、体积小等特点。因为黑体能够吸收全部入射辐射能并能完全发射出去，所以用烧结法在蓝宝石光纤一端形成一层氧化锆镀层，包围蓝宝石光纤形成一个圆柱腔，选择合适的参数，可以使这个腔的辐射特性接近理想黑体的辐射特性，这样形成的圆柱型黑体腔就是蓝宝石光纤高温探头。当黑体腔长度与直径之比为10时，其发射率大于0.99，探头黑体腔十分接近理想黑体。同时，在较宽的温度范围内，数值变化极小，即黑体腔具有稳定的热辐射。如果取更大的长度值，不但辐射强度不能增加，而且，黑体腔不再是等温腔，热容量增大造成测量灵敏度下降，空间分辨率降低。所以，若蓝宝石光纤直径为 0.7mm，探头镀膜的长度为7mm。黑体腔的厚度要尽可能薄以提高它的热响应频率。

5 波分复用器

石英光纤传出的光信号要进行分束，选取两个不同波长的辐射光波进行比色法测温，通常用分光镜和干涉滤光片进行分光。由于插入损耗非常大，使光纤中本来就不强的信号更加微弱，检测十分困难。另外，干涉滤光片和分光棱镜的体积大，结构复杂，可靠性低，与光纤不兼容。采用全光纤波分复用器，入射光波中不同波长的光波分别进入不同的传输光纤，只用一个器件就同时完成了光波的分束和滤波，减少了滤波损耗，提高了信噪比，在确保测量精度的同时，还降低了光电测量单元的成本。

全光纤波分复用器是一种对光波波长进行分离或合成的光无源器件，主要采用熔融拉锥法[2]制作，熔锥型全光纤波分复用器的原理是：器件在过耦合状态下耦合比随波长而变，其耦合机理是强耦合理论。熔锥型器件中，拉锥的效果是使两光纤纤芯靠近，使传播场向外扩展，以便在相当短的锥体颈部区域出现有效的功率耦合。因为器件的耦合度与熔区的波导条件有关，所以是波长的函数，当器件处于过耦合状态时，器件的输出特性与波长的依赖关系逐渐增强，以至形成振荡。于是这种过耦合状态下的熔锥耦合器就具有波分复用的功能。

在光纤通讯中，为了信号的远距离传输，选用了传输损耗小的单模光纤，通信中已有的采用单模光纤制备的波分复用器，虽然也可以避免干涉滤光片引起的插入损耗，但单模光纤的数值孔径极小，只能接收到微弱的信号，同样难以检测，因此单模光纤波分复用分路器不适宜用于高温传感器中。在光纤传感中，为了增加传输的信息量，应选用频带宽、数值孔径大的多模光纤制备的波分复用分路器。

6 显示与通信系统设计

由光电探测器输出的电信号首先要经过放大处理，再进入A/D转换器。单片机接收A/D转换器输出的数字信号，并计算两路信号强度的比值。由于在光纤测温系统中，信号强度比值与温度之间为非线性关系，所以先要根据系统参数计算比值