再论测温仪的光学创新点

再论测温仪的光学创新点

1.0 问题提出:
据世界预测公司Frost&Sullivan预测,世界温度传感器市场将由1998年的17.4亿美元增长到2006年的3326亿美元,增长率为7.4%,这一增长速度还将继续。众所周知,传感器只是起获取信息的作用,若要显示或记录其相应的物理量,还要作信息处理,若要利用这个信息来控制一个执行机构,还需要作一个控制系统。因此将温度传感器做成一个测温仪器,其价值至少增长10倍,而做成一个测量控制系统,其价值至少增大20倍。我们拥有世界领先的温度传感器,并且已经做成了世界领先的测温仪!
2.0 世界领先技术的依据
2.1技术背景
由于高温高压同时存在的环境、酸碱腐蚀、有毒有害气体、高强电磁场、易燃易爆等恶劣环境要求在线实时测量温度的应用量越来越多,又由于与计算机配套用于工业生产闭环控制的要求愈来愈高,又由于动态目标,高速跟踪实时测量温度的测量仪需求量迅速增长,传统的测温仪已不能适合这些要求。
  在测量方式上,基本上可分为接触式(埋入式)和非接触式两大类。传统的由二根不同的金属丝由温度引起的结点电位差(热电偶)表示温度的占有量约有40%,也是接触式测温的主要工具,但它在动态温度变化中根本不能使用,与计算机配套所记录的数据均为假像。尤其是它现在还作为温度标定的标准具,因为热电偶在静态温度场中精度比较高的原因。因此应用于温度标定炉中,设想把一个标定炉设置在一个固定的温度点上,一个将要标定的测温仪,如果需要标定20个点,意味着需要20台标定炉,这将大幅度提高生产成本。如果使用一台标定炉,把20个点全部标定完毕,则在标定炉升温降温过程中,热电偶的滞后现象将使被标定值产生较大误差。现在水泥、玻璃、陶瓷生产线上,大部分仍然使用热电偶的方法测量,会导致产品质量得不到保证。现在国际上流行的红外测温仪或带光纤的测温仪等众多非接触式测温仪均与材料的辐射率、与测温仪探头离开目标的距离、与发热体面积大小有直接关系,导致测温仪的可靠性、稳定性差,并且操作使用很不方便,绝大部分不能在恶劣环境下使用。
 光学创新型测温仪不仅克服了传统测温仪的弱点,而且其自身有其独特的原理、结构和功能。
2.2技术特征:
一个具有光学信息处理功能的光纤传感器连接着一个不需要A/D转换的微处理器构成了光学创新型测温仪。(见附图)
 
 光学创新型测温仪的原理是:当一个物体被加热时,它不断地向空间或周围介质辐射特征波,特征波的峰值波长与温度的关系可从维恩定律得到,即+℃,当温度升高时,峰值波长向短波方向移动,例如0℃时为10.61m;1000℃时为2.28m;2000℃时为1.27m,这时将一根我们自己做的光纤通入发热体内部,或接触其表面,或靠近发热体,特征波就从光纤的一端传输到另一端,由于光纤的另一端连接着一个检波器,检波器实质上是一个衍射光栅,它刻写在光纤端面上,从光栅上出来0级、1级、2级条纹……,其中0级条纹的强度最大,对应着特征波,1级条纹次之,这样很方便地检出了对应温度的特征波。然后连接光电探测器,输出随着温度变化的频率信号,即得到了数字输出的温度信号,连接二次仪表或计算机即显示被测温度值。
 简言之:由于某一温度下必定对应着一列辐射能力最强的特征波,检测特征波移动频率即代表温度的高低。识别这个特征波的波长,即代表其温度值。请注意,光纤插入发热体内部表示该发热体内部温度;光纤接触或靠近发热体,这是发热体的表面温度。另一方面,波长与波数成倒数关系,但光波在空气介质中传播速度达每秒30万公里,用现有的电子元件是不可能检测波数,因此我们只能用光学的方法解决这一个世界上尖端问题。我们解决的方法是采用自适应斩波器,它用光致伸缩材料做成,当光波的波长改变时,必定引起辐射强度的改变,而自适应斩波器随着光强改变其振动频率改变,另一方面特征波的移动把光谱的包络线发生移动,因此自适应斩波器把波数与特征波的移动频率合二为一。
2.3技术前景:
超高速地测定温度,必定要有更加高速响应的传感器,我们测温仪的原理,就是世界领先的超高速测温的原理。
采用这一原理既可接触式测温,又可非接触式测温;既可在普通环境中高精度在线实时测温,也可在恶劣环境下可靠地使用;
采用这一原理,可用光纤替代热电偶,那么这40%的应用量将会被我们占领;
 采用这一原理,可做成高精度体温计,那么水银温度计将进入历史博物馆。在医院、在公共场合局域网式的测温系统将建立;
 采用这一方法,所有食品行业的温度记录将彻底改革;
 采用这一原理,既可作100万元以上的测温仪,又可作100元以下的测温仪。 采用这一方法,我们不仅可以作行业标准,而且可以作温度计量标准。
3.0 T60型测温仪
 光学创新型测温仪共分十大系列,从T60-T69,共有1500余种型号与规格,每个系列平均有150余种类型。
 T60测温仪的测温范围为250℃-3000℃(分段),250℃以下的测温列入T62系列,3000℃以上的测温列入T69系列,远距离更高精度的测温列入T61系列。
 这十大系列中共有的特色是:与发热体材料的辐射率无关,与测温距离无关,最小光斑可测300m以下,也就是与发热体的面积无关。
3.1 T60测温仪中的创新点
 由于价格上的原因,我们不能把所有创新点都用到一个系列上去。T60测温仪有以下几个创新点:
• 建立空间弱波导。
在非接触式测温仪中,探测头与被测目标之间的传输介质的稳定性固然重要,但最重要的是辐射波有否建立自己的传输路径,使传输波在一定距离内的衰减可忽略不计,也就是说这条路径衰减最小,传输最远。
 由发热体的局部表面与接收器端面形成一个光场,由接收器的口径作为波导的边界,由接收器的孔径角作为波导的距离补偿,这样就形成了一个弱波导。当发热面的大小小于或等于接收器的孔径时,辐射波可在这个弱波导中传输较远的距离,且大于孔径的发热面所辐射的波均不会进入这一弱波导。
 光纤是一种弱波导,它由包层折射率略小于芯层折射率构成,辐射波可以在光纤内传输很远距离。探照灯和手电筒发出的光柱是弱波导,它由抛物面反射镜会聚光源形成。我们用接收透镜和光纤组成一个弱波导,实践证明是非常有效的方法,因为传统的测温仪均与材料辐射率有关,与测试距离有关,与发热体面积有关,我们与这些因素无关,这就是建立空间弱波导的优点。
• 光纤
通讯光纤只是‘传’的作用,传感器光纤需要既是‘传’又是‘感’。一般人不会理解,世界上买不到我们的光纤,这点保密,不对外宣传。
• 限波器和陷波器
以Si材料为主的光纤,光谱范围在0.4~2.5(m)之间,我们需要0.76~2.5(m)用硒化镉材料作成几个毫米长的光纤,或用纳米材料调节窗口光谱宽度都是可行的。我们使用前者,做成限波器,这样有效地防止可见光的干扰。
陷波器是光纤布拉格光栅的反向应用,使光谱中只能通过这一光波,或陷落这一光波。世界上没有人这样做,我们这样做了。
• 光纤滤波器,稳模器
当光束进入光纤后,把高次模滤掉,使传输模稳定地到达终端,由于排除了部分干扰,使有用信号输出稳定,同时也达到了波前校正的作用,采用热处理方法将我们专用光纤做成按设计要求的形状,即起到了这个作用。
• 最小光斑300um以下
由于我们的探测头是不同材料的光学镜片与光纤相连接,按共轭成像原理,只要把被测点布置在前焦点上,即可测到这个点的温度,这个点可以无限小。如果将镜头去掉,让光纤对准并离开被测物1-2(mm),那么可以测定300um的光斑,但测温仪需要重新标定。别看这个方法很简单,别人还做不出来,我看美国几家做测温仪的公司,认为近距离测温需要再拧上一个广角镜头。
3.2 分类
 分类不仅有价格上的原因,还有先进技术含量不同的原因,更重要的是企业容易规模化,容易发展壮大,我认为这样的分类是科学的、合理的选择。
 
系列分类 功能及涉及领域
T60 中、高温普及型测温系列
T61 高精度。分辩率达0.01~0.1(℃),或传输介质稳定性很差,或超过20米以上的远距离测温,是光学多波长比较系列。
T62 低温段系列。采用光场变换器和低温段专用光纤。
T63 光纤替代热电偶,实现接触式测温,采用光学自适应斩波器。
T64 分布温度点检测,包括扫描式测温;单点连线,或星形分布测温。
T65 便携式测温系列。
T66 光纤现场总线方法。
T67 体温检测,食品温度检测,包括局域网监控。
T68 本人各项发明的产品配套。如电厂的火检器,测井仪中的温度传感等。
T69 特殊用途型。如检测尾气喷射温度,检测3000℃以上的高温等。

4.0 其它系列测温仪的创新点
4.1检波器:
其作用是识别特征波。它是一个透射式衍射光栅,刻写在光纤端面上,当代表某一温度的特征波通过光栅时,正好对应着0级条纹,这样就方便地读出了相应的温度。光栅刻写在光纤端面上不是创新,但用光栅来检出特征波是创新点。
4.2   自适应斩波器:
自适应斩波器采用光致伸缩的纳米材料做成,当辐射波进入自适应斩波器时其振动频率与辐射波的强弱成线性关系,这样就将温度的模拟量转换为温度的频率量。使连接在斩波器后端的光电探测器输出的0,1,0,1……的频率信号代替了微处理器中的A/D.
4.3  数字式光电探测器:
由于光波在传输过程中电场与磁场是交替变化的,当光波照射在光电探测器的光敏面上时产生了电流,由电流引起的磁场与光敏面背面的磁性簿膜作用引起电流短路,短路瞬间又立即释放恢复电流流动,这种短路释放的过程与光强成比例关系,因此将光学模拟量转为电子数字量。
这一元件正在研究中,它与俄罗斯科学家发明的热敏元件(Z元件)是完全不同的,这将应用于接触式测温的光纤传感器中。
4.4 光场变换器:
把一个需要检测的微弱信号变换成一个放大的光信号,这样就可以从室外移到室内,从不安全的地方移到安全的地方,方便地处理这个信息,它主要用于低温测量、核辐射、X射线等的测量。在低温测量时,配合低温测温仪的专用光纤,它的原理是把已经探测到的中红外和远红外低温辐射波转换成一个启动电子开关的速度量,电子开关连接一个前后沿很陡的发光管(如APD),使该发光管的发光频率成比例变化。该频率量代表了相应的温度量。
4.5 指数/对数转换器
它的功能是将指数光功率转换成对数光功率。由于光波的强度是一个指数函数,又指数与对数是反函数,即其形状相同,曲线走向不同而异,用光学衰减的方法,把在曲线高端1的光功率衰减到曲线低端0-1的区间内,即实现了指数/对数转换,实质上起到了光功率压缩作用,不仅能提高动态范围,而且能提高将近1倍的响应速度,这是一个重大的创新。
4.6 光学模拟除法器:
非接触式测温仪标定时把标定炉出射的有一定宽度的辐射波分成两路不同波长,它的功率为W1,W2,用W1/W2来表示其温度变化值,这就是双波长比较测温仪。传统的做法是用光学方法将一束辐射波分成两束,分别通过,
滤光片,然后再经过二个光电探测器进行光电转换后,又分别进入两个对数放大器,然后将两路信号同时进入差动放大器,得到 W1/W2的结果。在实际使用时,由于发热体(被测目标)的材料不同,辐射系数不同,探测头与被测目标之间的距离变化和灰尘烟雾等干扰,使W1,W2发生变化。一般它们的变化倍数相同,所以W1/W2比较的值不变,因此双波长比较的测温仪能排除环境引起的干扰。十年前我们做了一批双波长测温仪,分别给宝鸡钢管厂,沈阳铸造所,重庆大学等单位使用,反应虽然不错,但我心里总是存在着顾虑,因为其调整特别困难,制造周期相当长。为什么调整困难?我在15年前委托上海技物所定做了同一基层的双光敏面探测器,我还开了12套模具压制各种能缩短周期的连接件,也未见效,这时我才想到原理上存在的问题。因为材料辐射系数,灰尘烟雾的干扰和距离系数d都是波长和温度的函数,因此双波长比较的的条件是=,其次是要保证,波功率曲线的斜率相等,即两条输出曲线平行,或者在规定的测温范围外相交。理论上可证明这是不可能的,因=即成了单波长,只有,但尽量使靠近,使是可以做到的,但是强度始终大于的强度,这是做不到的,因为温度在升高或降低的过程中,其光谱宽度虽然不变,但光谱的包络线在改变,当温度达某一值时,强度大于强度,当温度到对应特征波的另一值时强度大于,所以输出曲线在测温的的范围内始终相交,所以电路做不出来。美国IRCON公司定做了一种类似三明治的夹层光电探测器,前面的光敏面接收宽带辐射波后面的光敏面接收波长为1.05m从宽带辐射波透过的窄带辐射波,达到宽带与窄带比较,电路非常复杂,布线的技术要求很高。但窄带与窄带比较或者宽带与宽带比较,或者使用两个不同的Si和Ge探测器等,即使使用IRCON的电路,同样不会成功,因为这种比较方法理论上证明是做不出来的,只有当温度范围很窄时才能成功,例如体温计。而使用电子的方法实现三波长比较成本又大大提高。而光学模拟除法器可以实现2个波长至8个波长的比较,或更多波长的同时比较,其响应速度不受任何影响,不管对几个参数比较,其体积的大小相当于一个电子芯片。
 光学模拟除法器的原理是将辐射波通过光纤指数/对数转换器,使辐射功率变成 ,又在一个园波导外层,涂复有吸引 , 的不同纳米膜,在主波导的侧面波导形成的光场吸引下,使 , 分流到侧面波导,于是主波导 ,并且光学除法器的输出端只要一个光电转换器件,即可实现双波长或多波长比较,这是我一生中重大发明,遗感的是,事隔两年由于顾了‘光圣’,就顾不了更多。
 光学除法器不仅可以用于测温仪,它可用于各种仪器,它可连接在光路中,也可连接在电路中有效地排队内外干扰,可简化复杂的光路和电路,大幅度降低成本。
但这些器件必须利用美国的有利条件,在我公司(DO-VA)才能完成。


 


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发布人:众宇旺仪器 发布时间:2009年6月24日 已被浏览 1801 次 〖 打印本文