非接觸式紅外測溫儀瞄準精度光學分光模塊設計

黃世祥,楊昌文

（1.貴陽醫學院物理教研室,貴陽 550002；2.貴州省麻江縣質監局,貴州 麻江 55760）

非接觸式紅外測溫儀瞄準精度光學分光模塊設計

黃世祥1,楊昌文2

（1.貴陽醫學院物理教研室,貴陽 550002；2.貴州省麻江縣質監局,貴州 麻江 55760）

非接觸式光纖傳感測溫儀在實際的使用過程中，因高溫、環境等因素，不能靠近被測物過近，在測溫時，需要使紅外光先行瞄準，而先前雙光纖設計存在通信線路長，信號延遲、儀器體積過大等不足。本文根據實際應用中的需要，設計一種新型已公開的光通信設備，應用到實際產品中，具體涉及一種光學分光模塊，包括模塊主體，所述的模塊主體內設有相互連通光纖FC接口、紅外探測器固定孔、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溫儀瞄準精確且生產簡單、裝配方便、生產成本不高的光學分光模塊，應用到紅外光纖傳感測溫儀中。

非接觸；紅外測溫儀；光學分光模塊

0 引言

溫度是工業生產中常見的工藝參數之一，任何物理變化、化學反應過程都與溫度密切相關，因此溫度控制是生產自動化的重要任務，要實現準確的溫度控制就必須有精度相對較高的測溫儀。就測溫儀形式來說，可歸納為接觸式測溫和非接觸式測溫兩種。不同的被測目標必須采用不同的測溫形式。在特定的領域中，非接觸式測溫有著接觸式不可比擬的優越性，例如在有色冶煉、粉末冶金、中高頻感應加熱、鑄造、焊接、鍛造、熱處理等領域。目前市場上應用較多的非接觸式測溫工具是紅外測溫儀。

非接觸式紅外測溫儀是一種結合非接觸式測溫方法和光纖傳感技術，實現高精度、高重復性、快速響應測溫儀。現已廣泛被應用在各種工業測溫中。因其使用的是雙光纖傳輸紅外光信號，有著光路不同路，測量點和瞄準點不在一條光線上，光纖使用過程中容易折斷等不足。針非接觸式紅外測溫儀的這一缺點，結合實際應用要求，對使用雙光纖傳輸的非接觸式紅外測溫儀進行技術改造，將原來的雙光纖傳輸改為用單光纖連接分光模塊的信號傳輸形式，其核心為光學分光模塊的設計，對產品重新作機械設計，用黑體爐標定采集出相應的電壓信號值，得到一個新的產品，以該產品向知識產權局申請專利。以下是該產品各部份設計詳細介紹。

1 光學分光模塊的設計

非接觸式紅外光纖傳感測溫儀采用光纖探頭與電子處理單元分離的結構，探測熱源輻射的紅外光密度，紅外光經透鏡會聚于光纖接頭，通過光纖傳導進入光電轉換單元，輸出的電信號經放大、線性化處理后，得到與被測溫度信號成線性關系的電壓（或電流）信號，將該信號接入智能數字顯示表，即可顯示對應的溫度值。可設定報警溫度區間以控制所需要的生產溫度；也可將測溫儀的輸出信號通過RS-232串口通信接入計算機，通過設定工藝曲線，進行多點多量程的溫度控制。該光纖傳感測溫儀的原理框圖如下：

圖一 光纖測溫儀原理框圖

傳導光纖使用的是雙光纖，接紅外探測器的這根光纖將光信號傳輸到光電轉換器，然后通過電路作相應的信號處理。另一根光纖傳輸激光，對測量溫度沒有影響，激光器發出的650nm紅光通過光纖傳輸到透鏡的焦點上，經透鏡聚焦后瞄準到被測溫點。但這樣的描準方式因兩根光纖之間存在一定的位移差，使得測量點和瞄準點不在一條光路上，從而產生很大的誤差。為了解決這個問題，可使用當前光通信行業的雙向傳輸模塊，但其生產需要具備很高的技術裝備，如激光焊接機和光功率機等，同時在生產的過程中要求很高的生產工藝，價格昂貴，難以推廣。因此，設計一個光學分光模塊，使用單光纖傳輸，解決雙光纖傳輸存在的問題。同時更便于產品的生產，廣泛的應用到工業測溫中，我們選擇后一種方法，具體設計如下：

1.1 光學分光模塊設計的技術方案

非接觸式紅外測溫分光模塊作為一種實用新型產品設計，采用的技術方案是 ：一種光學分光模塊，包括模塊主體，模塊主體內設有相互連通的光纖 FC 接口、紅外探測器固定孔、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置，所述紅外探測器固定孔垂直于光纖FC 接口和激光器固定孔的軸線，且設置于光纖 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器固定孔和激光器固定孔均呈 45 度角設置。該設計取得有益技術效果：紅光的傳出和紅外光的傳入都是通過同一光纖FC 接頭同時傳輸，因此可以有效的確保紅光的瞄準點和瞄準點發出的紅外光在同一條光線上，可以確保瞄準準確無誤。

激光器固定孔可連接 650nm 或者 635nm 激光器。激光器通電后發出紅光，紅光透過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，從光纖的另一個端面發射出來，經過透鏡聚焦后耦合到照射到被測物體上。被測物體發出的紅外光，經過透鏡聚焦后耦合到光纖的端面上，通過光纖的傳輸從光纖的另一個端面發射出來，經過分光片后反射到紅外探測器上面，紅外探測器接收到紅光后進行光電轉換變為相應的電信號，電信號再經過放大、數模轉換、信號處理、標準信號輸出，最終將溫度信號顯示出來。

1.2 非接觸式紅外測溫儀光學分光模塊的光學原理及實物結構

1）分光片光路原理圖如圖二所示：非接觸式紅外測溫儀采集發熱體發出的紅外光，經光路1入射到光學分光片上，經光路2傳輸到光電轉換器，再轉換為電信號，再由電路對信號加以處理。激光器發出的紅光經光路3透射后傳輸到光纖端面上，再通過光纖傳輸出去，根據光的可逆性原理，該紅光經光路1回到透鏡焦點，再照射到被測物測溫點。

圖二 分光片的光路圖

圖三 光學分光模塊側面剖視圖

2）光學分光模塊的結構（見圖三），光學分光模塊的側面剖視圖，其特征在于 ：模塊主體內設有相互連通的光纖FC 接口，（1）紅外探測器固定孔，（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）同軸向設置，所述紅外探測器固定孔，（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器固定孔，（2）和激光器固定孔，（3）均呈 45 度角設置。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）根部上設有縮口段。

3 采用光學分光模塊設計的非接觸式紅外測溫儀定標：

通過黑體爐溫度對該測溫儀的信號進行采集定標，采集的溫度范圍為300-1000℃，對應的電壓信號值如下（見表一）。并以此數據作出該電壓信號的擬合曲線圖（見圖四）。

表一 根據黑體爐溫度標度輸入端電壓

通過對表一和圖四的觀察我們可以發現，光電轉換器轉化出來的電信號經過電路放大后得到的信號是一條曲線，而根據國際標準，為了便于信號的顯示，通常需要輸出的是標準的線性信號，比如0-5V電壓信號或者4-20mA電流信號，此時的數據經過擬合成的直線與實際曲線的偏差較大，誤差為滿量程的5％左右。為了提高測量精度，可以通過對曲線進行分段擬合和數字信號算法處理，形成分段函數，經過處理后的曲線，此時與標準的線性直線更接近，而誤差也會大大的降低，可以達到1％以內，完全可以達到大部分的工業測溫精度要求。

圖四 電壓擬合曲線圖

4 結束語

非接觸式紅外測溫儀中實用新型光學分光模塊的設計，申請專利，讓我們擁有一款造價便宜，生產工序簡單，測量精度相對較高的工業紅外測溫產品，擁有自主知識產權。在紅外測溫廣闊的市場里，可取得一定市場份額，產生一定經濟效益。

[1]唐岳湘，趙修良.紅外線人體測溫儀電路的設計[J].測試與測量 ，2007（11）：9—11.

[2]王中訓，于澎.紅外測溫儀的設計[J].煤礦機械，2006（02）：15—17.

[3]周書銓.紅外輻射測量基礎[M].上海：上海交通大學出版社 ，1991：1—12.

[4]袁國良.光纖通信原理[M].北京：清華大學出版社，2006.

[5]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006.