光導纖維紅外輻射溫度計的數字化改造

鄭 陳

上海自動化儀表有限公司 上海 200072

1 課題背景

溫度作為一個與工業、科研和日常生活有著密切關系的物理量，能被精確測量已成為一種迫切需求。在常用的測溫方法中，非接觸測溫較之接觸測溫，有著不需要直接接觸被測物體、不會擾動溫度場、不會破壞熱平衡等優點[1]。

雖然紅外熱成像測溫技術目前在市場上較為火爆，但其一般被用于檢測大面積區域中各點溫度差異及其相對變化[2-3]，并且測溫上限不大于 1000℃。光導纖維具有一定的柔韌度，可在一定限度曲率半徑范圍內彎曲，輻射能量可沿著彎曲的光導纖維傳送給測溫儀表，因此可以檢測無法直接觀察的目標溫度，這是普通光路系統輻射溫度計所無法實現的。單點式光纖紅外輻射高溫計在冶金熔煉、鍛造、軋制、熱處理、硅酸鹽、耐火材料、碳素制品等工業和科研場合有著廣泛的應用[4-5]。

WHF-65光導纖維是一款典型的紅外測溫產品，其光纜探頭外形小巧，適合在不同場合使用，尤其適用于高溫爐窯測溫，可以減小爐窯的熱輻射，減少能源損耗，不影響爐溫均勻分布的熱穩定性。然而，在引入數字化技術前，由于傳統產品采用由多個運算放大器構成的模擬電路來完成曲線擬合，在標定調試環節存在工藝復雜、費時費工等比較嚴重的問題，因此制約了產品的進一步發展。為了延長該產品的生命周期，使測溫技術得以保存，對該產品提出了數字化改造的要求。

2 紅外輻射溫度計原理

輻射溫度計的理論基礎是普朗克定律[6]，即黑體輻射定律，描述了在任意溫度下，從一個黑體中發射的電磁輻射率與頻率的關系：

(1)

式中：I為輻射率；h為普朗克常數；c為光速；k為玻爾茲曼常數；v為光頻率；T為黑體溫度。

因此，可以通過在一定立體角內，測量某波段輻射能量來判斷黑體當前的溫度。雖然在現實世界中絕對黑體是不存在的，但是工程上一般可以通過對特定測量對象進行輻射率修正[7]，最終獲得測量對象的實際溫度。

基于以上原理，光纖紅外輻射溫度計將由光學探頭采集到的測溫目標紅外輻射，經光纖傳導入硅光電池；硅光電池受到紅外輻射后，會產生微小電信號，這個信號經過調制電路處理，變為可以由模數芯片轉換的電壓信號；模數轉換芯片將模擬電壓信號轉換成數字信號后，發送給主控芯片；主控芯片接收到數據后，進行一系列運算，實現當前目標溫度顯示、對外報警控制和變送輸出等主要功能。光纖紅外輻射溫度計基本參數見表1。

表1 光纖紅外輻射溫度計基本參數

3 硬件設計

光纖紅外輻射溫度計可以分為光路和電路兩大系統，其結構如圖1所示。

圖1 光纖紅外輻射溫度計結構

光路系統包括探頭和硅光電池兩部分。探頭部分由防護鏡、物鏡、光闌和濾鏡等組成，作用是固定進入光纖輻射量的立體角、聚焦光線，并確保特定紅外波段的光線能進入。硅光電池也稱硅光電二極管，是非常重要的傳感器，起到將光信號轉換為電信號的作用。但是由于易受環境溫度影響的特性，硅光電池輸出信號值很難被解析。為此，設計了電子保溫包，將整個硅光電池傳感器始終置于(50±1) ℃的環境中，保證其輸出穩定。

信號調制電路和模數轉換電路是儀表的核心部件，除此之外需要對整個電路的電源波動及空間磁場等干擾因素額外設計電路，工程上一般將這兩部分電路布置在一起，統稱為采樣電路。圖2為采樣電路原理圖，P1為連接至硅光電池的插座；IC1與R1～R4形成的網絡將硅光電池產生的微小電流信號轉換成電壓信號；U1為差動運算放大器，起阻抗匹配作用；R5、C1對信號進行濾波；U2及其反饋網絡對信號作放大處理，使信號滿足模數轉換芯片的電壓接收范圍；模數轉換芯片IC3使用了ADS1115型芯片，使輸入的模擬量電壓轉換為可被主控芯片讀取的數字量。

圖2 采樣電路原理圖

人機交互模塊主要由機械按鍵和液晶顯示模塊組成。為了簡化設計，顯示模塊使用了集成液晶顯示模塊，集液晶屏、液晶驅動模塊、數據存儲模塊、通信模塊于一體，編程簡單，可以通過計算機軟件完成菜單畫面繪制和參數配置，并通過安全數據存儲卡燒寫程序。主控芯片也可以通過串行口通信完成畫面切換、數據顯示等操作。

信號輸出模塊使用繼電器實現干觸點信號輸出，使用數模芯片實現4～20mA電流信號輸出。

4 軟件設計

軟件設計分為兩個部分：主控芯片中的程序和顯示屏中的程序。

由于將液晶屏的畫面顯示等驅動程序獨立出來由顯示模塊完成，主控芯片中的程序相對簡單，主要完成采樣、計算、報警、變送輸出及按鍵處理等功能。為了減小單片機運算負擔，需使用中斷函數將運算量大、周期長的工作與運算量小、周期短的工作分開，以保證儀表在正常工作的同時，提高儀表的工作穩定性。圖3、圖4分別為主函數和中斷函數流程圖。

圖3 主函數流程圖

圖4 中斷函數流程圖

顯示模塊的程序主要以畫面和菜單設計為主，在滿足信息完整度的同時，盡量使畫面簡潔，方便用戶操作。菜單主要由5大畫面組成。

(1) 實時值顯示畫面。顯示日期、時間、當前溫度值、探頭類型、發射率。

(2) 極值顯示畫面。顯示日期、時間、最大值、最小值、近段時間內平均值。

(3) 報警設定顯示畫面。顯示日期、時間、高限報警值、低限報警值、位式調節設定值。

(4) 參數設置畫面。顯示日期、時間、探頭類型、發射率、報警不靈敏區、控制不靈敏區，實現儲存數據清空、屏幕自動關閉等操作。

(5) 標定畫面。顯示探頭類型、高低量程放大倍數，以及6個標定點和當前采樣值。

圖5顯示了5個頁面的切換關系。

5 技術難點及解決方案

硅光電池有質量輕、可靠性高、使用壽命長、靈敏度高、響應時間短等特性，其輸出電流信號受負載電阻影響較大，負載大則靈敏度高，負載小則線性度好[8]。由于測量范圍大，一般無法通過適當選取負載電阻來平衡靈敏度和線性度，因此采用多個負載，通過用戶手動切換來實現不同量程的電阻匹配。為了提高產品性能，設計方案采用了自動切換方式。

實現信號切換功能的器件有互補金屬氧化物半導體電子模擬開關、小功率繼電器等。互補金屬氧化物半導體電子模擬開關作為一種功能強大、價格低廉的器件在電路中有廣泛使用，如圖2中IC2使用的CD4051型用于多路切換。但是，對于串接入電流回路的IC1，這類芯片導通電阻通常在幾百歐左右[9]，會引入額外測量誤差，因此不合適在本電路使用。相對而言，繼電器的導通電阻小，一般不大于 1Ω，但是作為含有機械部件的器件，其壽命有限，一般為10萬次左右，按每小時10次左右的切換頻率算，工作1年即接近理論壽命上限，因此在本應用中繼電器也并不合適作為信號切換開關。通過研究，最終使用光電耦合器作為信號切換開關，其隔離電阻高，可達幾十兆歐，且導通電阻小，僅 0.3Ω，阻值受溫度影響小，在0～50℃范圍內變化不超過0.2Ω，并且能實現輸入端與控制端電路的隔離，滿足應用需求。

圖5 光纖紅外輻射溫度計菜單顯示畫面示意圖

另外，由于光纖的導光性能差異較大，同時電路板的元器件也有差異，因此要在整機組裝完成后對每臺儀表進行整體標定。

傳統的標定方法是通過黑體爐給予溫度計標準溫度點，記錄下每個點的電路輸出電壓，最后調節電位器使儀表的讀數能與溫度值匹配。由于溫度-電壓曲線的線性度較差，需要將整個量程分為多個線段擬合。在通常情況下，輸入的標準溫度點為整百攝氏度點，以600～1000℃量程為例，即為600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃。如果需要提高精度，則需要增加標定溫度點，一般情況下，精度等級5%需要每200℃一個標定點，精度等級2%需要每100℃一個標定點，精度等級1%需要每50℃一個標定點。這樣要達到最高精度等級，600～1000℃量程需要10個溫度標定點，1500～3000℃量程需要20個溫度標定點，而提供標準溫度的黑體爐每切換一個溫度平衡點至少需要0.5h，傳統方法可謂費時費力。

為了能解決這個制約生產的問題，在保證精度的情況下盡量簡化生產調試過程，筆者在一批產品中隨機抽取了6臺，對其信號調制板的輸出做了仔細記錄，數據見表2。

表2 溫度-電壓曲線原始數據

從6臺溫度計的溫度-電壓關系曲線(圖6)可以看出，6臺溫度計的線性度較差，同一溫度點下不同儀表的數據差異也很大。受到文獻[10]啟發，對這6組數據進行回歸分析，結果表明，雖然6條曲線從絕對值上看差異較大，但卻是線性相關的，即不同的曲線經過簡單線性計算之后能基本重合。若記其中1臺溫度計各溫度點電壓值為X600、X650、X700、…X1 000，另1臺溫度計對應溫度點電壓值為Y600、Y650、Y700、…Y1 000，則存在一組K、B值，使下列等式成立。

(1)

例如，以2號曲線作Y，4號曲線作X，則K=0.4535，B=78.8。從圖6中也能看出，運算后得到的2號曲線幾乎與4號曲線重合。

圖6 溫度-電壓關系曲線圖

計算結果表明，6條曲線基本都符合以上規律。在這個規律的基礎上，取6條曲線的平均數作為基準曲線，選擇3個溫度點作為標定點，記錄該溫度點的實際電壓值，再基于其與基準曲線上對應的溫度點一起計算出K、B值，然后基于K、B值對基準曲線上的其它點進行計算，從而擬合出符合規律的溫度-電壓曲線，并寫入內存，這樣正常工作時便可以憑借這條曲線直接從采樣電壓值查詢到當前溫度值了。

隨機抽取5臺溫度計進行算法試驗，結果表明，使用以上算法后，雖然標定點數減少到3點，但精度等級可以達到1%，顯著提高了生產效率和產品質量。

6 結論

經過數字化改造的光纖紅外輻射溫度計外觀如圖7所示。筆者通過合理的電路設計提升了產品性能，并運用獨特的擬合算法簡化了標定工藝，大大方便了生產調試，延長了產品的生命周期。

圖7 光纖紅外輻射溫度計外觀

[1] 周慶福,楊永軍，呂國義.紅外輻射測溫儀及校準方法探討[J].計測技術,2008,28(S1)：33-35.

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[5] 嚴浩宇,閔峻英,黃明泰.高強度鋼板熱成形極限的模具設計及試驗研究[J].機械制造,2010,48(9)：62-64.

[6] 殷際英,顏煒.光纖傳輸在非接觸測溫中的一種應用[J].激光與紅外,2008,38(2)：158-160.

[7] 丁一,毛明科.紅外光纖測溫儀設計[J].硅谷,2010(5)：24.

[8] 白日午,王浦.硅光電池輻射測溫的誤差分析[J].焊管,2003,26(4)：21-24.

[9] 德州儀器.CD4051B：具有邏輯電平轉換功能的CMOS單路8通道模擬多路復用器/多路解復用器[E/OL].http：∥www.ti.com.cn/product/cn/CD4051B.

[10] 陳楊英杰,侯春哲，余蕾蕾，等.一種新型紅外測溫儀的研究與設計[J].科技致富向導,2014(32)：172-173.