瞬态超高温场比色测温传感器光电转换电路的设计与调试Word格式.docx
《瞬态超高温场比色测温传感器光电转换电路的设计与调试Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《瞬态超高温场比色测温传感器光电转换电路的设计与调试Word格式.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
目前，温度测量的方法主要分类方法有两种，从测量时传感器是否与被测对象接触分为接触式测温法与非接触式测温法；
从测量时是否有电信号可以划分为电测量法和非电测量法。
而每种测量方法中温度测量仪器又有许多种类，如膨胀式温度计、金属热电偶温度计、热电阻温度计、热敏电阻温度计、光学温度计、红外温度计等[13]。
如图1.1所示。
图1.1测温方法分类
1.2.1接触式测温方法
接触式测温法的理论基础是相互达到热平衡的物质具有相同的温度。
基于这一原理的感温元件工作时直接放置到被测温度场中或与被测物体直接接触，在传感器与被测物达到热平衡后得出温度；
不受被测目标的热物性参数、黑度及介质吸收特性等因素的影响，具有使用方便、测量精确度相对较高、技术成熟、测温仪表价格相对较低、可靠性高等优点[14,15]。
在一般的工业现场中基本能够满足对测量精确度的要求。
但是，由于感温元件与被测物质直接接触，只有与被测物体达到热平衡时才能准确测定其温度，测量过程会受到被测物体特性尤其是导热性的影响。
由于传热过程需要占用一定时间，导致这种方法的动态响应能力都不是很理想，很难及时反映温度的快速变化和温度脉冲，因而难以测到物体的真实温度及其准确的温度变化情况。
其次，由于传感器本身吸收与产生热辐射，难免会对被测物体的温度分布产生影响，导致测量不能真实反映实际情况。
此外，当被测物质具有腐蚀性，或者是在高温、高压等极端条件下测量元件的损耗会大大增加，噪声增加，寿命缩短，测量精度也会相应降低，有些甚至都无法测量[16]。
目前，在测量中，常用的接触式测温方法主要有：
（1）热电偶测温法
热电偶测温法是最常用的接触式测温法之一。
热电偶是利用导体或半导体材料的热电效应将温度的变化转换为电动势变化的元件。
普遍使用的金属热电偶温度计有铂铑10－铂热电偶、钨－钼热电偶、铂铑30－铂铑6热电偶及钨铼3－钨铼2等，其结构示意图如图1.2所示：
图1.2热电偶结构示意图
从原理上来说，热电偶测温法具有很多优点：
热电偶测温法具有较高的准确度和重复性；
热电偶在工作时将温度信号直接转变为电信号，相当于一个电压源，易于信号的远传；
可接入自动控制系统并实现多点切换。
另外，热电偶还具有测温装置简单，便于维护，测温范围大等一系列优点，因此在工业过程检测中应用非常广[17]。
但是对于瞬态超高温场，因其特点是变化非常快、对测温元件作用时间非常短且温度太高，普通的热电偶动态响应特性较差并且受自身材料的物理化学性质限制而很难对其进行测量。
比如，铂铑热电偶的测量时间受到装备与保护器材的稳定性能限制，且它的材质熔点比较低，在高温测量中既不耐高温也不耐腐蚀，且价格还非常昂贵。
另外，有些材质的抗腐蚀性能比较强，但是在高冲击、高压、高温等极端条件下，热电偶因直接与待测对象相接触，导致其使用寿命非常短，而且热电偶的安装会破坏原有的温度场、流场分布从而致使测温出现误差，还有传感器的结构也可能会带来动态误差等[18]。
（2）热释电型温度传感器
热释电型温度传感器是压电晶体热释电效应制成的传感器。
该类型的传感器多用于红外（热辐射）探测，是一种交流或瞬时响应的器件，若热电体的温度处于恒定状态，则检测不到输出，即热释电型传感器对稳定或不变的辐射不作响应。
压电晶体类中的极性晶体本身具有自发极化特性，其自发极化强度是温度的函数，当温度高于居里温度TC时，PS=0。
当温度低于居里温度时，PS随温度升高而减小。
有些材料如硫酸三甘酞、铌酸三甘锶钡等，经过单畴极化处理，变成单畴晶体。
在稳定状态下，由于热释电体内部具有自发极化，因此，在与自发极化强度方向垂直的的晶体的两个表面上产生面束缚电荷，一面为正的电荷，一面为负的电荷。
但在稳定状态下，这些面束缚电荷被晶体内部的自由电荷和外部的自由电荷中和而保持电中性。
当环境温度变化时，单畴晶体通过晶吸收红外线而使温度升高，在其居里温度以下，自发极化强度随温度升高而下降，这种变化导致在垂直于自发强度方向的晶体外表面上极化电荷的变化，即晶体两端出现随温度变化的开路电压，这种现象称为热释电效应。
在热释电体相对的两个面上制作电术，并在电极间用线连接，则可取出电流或电压。
热释电型传感器材料的选择标准是要求材料的热释电系数大，电阻率及其随温度的变化和热容量特别小，元件静态电容大。
对于居里温度较低的晶体，其测温上限往往受到其居里温度的限制；
对于居里温度较高的晶体，虽然不存在热释电系数随温度变化的问题，但常受到组合的场效应管的温度特性变化的限制。
（3）光纤传感器测温法
基于光纤的测温方法是近些年随着光纤技术的发展而兴起的一种测温技术。
光纤，是一种介质圆柱光波导。
光波导是指以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束光波在其内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质，通常按照其截面开关分为平板波导、矩形波导、圆柱形波导等。
由于光纤具有良好的传光特性，有比微波高6个数量级的宽频带，再加上光纤本身就是一种敏感元件，光在光纤中传播时振幅、相位、偏振态等将随着对象的变化而变化。
因此，利用光纤制作的传感器与传统的各类传感器丁比具有一系列的独特优势，如低损耗、易弯曲、重量轻、防水火、耐腐蚀、灵敏度高、结构简单、电绝缘性好等[19]。
常见的光纤温度传感器有辐射式温度传感器、半导体吸收型温度传感器、荧光发射型温度传感器、热色效应温度传感器。
其中适合高温度测量的主要是辐射式温度传感器。
蓝宝石光纤黑体腔传感器是基于普朗克黑体辐射定律的辐射式光纤温度传感器，是近十几年来随着蓝宝石光纤技术发展起来的一种新型的接触式测温方法。
该测温技术具有传统热电偶无法比拟的高温稳定性和响应特性，它的响应频率可以达到高速热电偶的100倍，在瞬态高温表面温度测量领域具有很好的应用前景。
高温传感器采集目标温度场信息的关键部分，是在单晶蓝宝石光纤头上镀覆一层敏感材料薄膜（例如：
铂、铱、钽等金属薄膜或氧化锆等非金属薄膜）构成封闭的圆柱形黑体腔探头。
传感器工作时，将镀好膜层的黑体腔探头放入被测温度场中，由黑体腔快速感知热量产生光辐射信号，经普通石英光纤传输由光电探测器接收，再通过信号处理电路输出电信号。
通过单波长测温法或全辐射测温法就可出测量出被测物体温度[20]。
其传感器的工作原理如图1.3所示。
虽然蓝宝石光纤黑体腔探头很细很小，但还是会破坏被测温度场的热平衡状态，并受到被测物体的腐蚀。
因此，该方法对黑体腔探头的结构、材料以及膜层的镀制工艺提出了非常苛刻的要求，而且测温系统的温度上限往往取决于黑体腔探头的耐热特性。
1.2.2非接触式测温方法
非接触式测温法是根据物质的热辐射能与温度变化的相关性原理来确定待测物质的温度。
这种类型的测温传感器在工作时，感温元件不与被测物体或温度场相接触，而是接收被测对象的热辐射能间接测出被测物体的温度。
因而不会对被测对象的原有温度场和流场造成破坏，可以避免接触式测温法的这一缺点，且不会因探测器材料自身的物理化学性质对测量造成限制。
此外，感温元件的传热惯性很小，可达千分之一秒，便于测量快速变化的温度、温度脉冲及运动物体的温度，可以在许多高温测量场合中应用。
但是，由于被测物体的发射率、测量环境等因素对非接触测温的影响很大，所以抗干扰性比较差。
在它工作的时候，需要一个或几个特定的供热辐射传输的光学窗口，而窗口的透过率容易受到局部污染产生不均匀性的减弱，这在一定程度上造成温度测量的不准确[21-23]。
非接触式测温仪按照测温原理主要可分为热电转换式测温仪、激光式测温仪和光电转换式测温仪。
热电转换式测温仪也叫热辐射温度计，是由一组或几组热电偶串连形成热电堆，将高温物体的热辐射能转换为电信号进行测量的，由于它的转换精度和速度都不高、可靠性不好，所以只是应用于电子技术还不成熟的早期；
激光式测温仪是激光器发射出的激光经过高温物体反射，由探测器接收，然后将能量转换为电信号进行测量的，激光式测温仪测量精度很高，但造价太高，所以较少应用于生产应用中；
光电转换式测温仪是由光电探测器接收热辐射能后，然后将其转换为电信号进行测量的，它的测量精度高、速度快，在实际生产中应用较广。
光电转换式测温仪按其探测对象主要分为单色亮度辐射测温仪、多色测温仪以及比色测温仪三类。
单色亮度辐射测温仪是通过利用单波长的辐射强度来测量温度，由于物体的光谱发射率很难测准，以及通过人眼来进行亮度平衡等缺点，测量时容易造成较大的误差；
多色测温仪是采用一套复杂的分光系统形成多个光谱通道，利用物体多个光谱辐射亮度，但是由于它的结构复杂，且测温理论还不完善，所以在实际生产中的应用还不广泛[24,25]；
而比色测温仪响应速度快、抗电磁干扰、测量精度高、信号损耗少、体积小，同时还可以有效地减少因周围环境干扰、被测物体的发射率变化、器件老化等因素带来的测量误差，能够在一些温度高、作用时间短、常伴有高压或高速气流流动等恶劣条件的场合中应用，因此这类测温仪具有相当广阔的应用前景[26,27]。
1.3瞬态高温测试国内外发展现状
瞬态温度涉及核能工程、化工容器、动力机械、热工设备等多种学科领域,它可以反应出物体化学反应过程中的一些关键信息。
对瞬态温度的测量和控制关系着科学试验的成败、机器的能否正常运行和产品的质量好坏等多个方面。
因此，瞬态温度的测量和控制越来越受到人们的关注，有很多国内外学者都对瞬态温度的测量展开了研究。
早在第二次世界大战期间，国外学者就已经开始了瞬态表面温度的测试方法的研究，例如，C.E.Moeller等人使用Mefthem公司研制的响应时间为
级的双丝型热电偶测量研究了7.62mm试验枪膛壁的内外壁表面温度，在试验前利用电位差计对双丝型热电偶进行了静态校准；
60年代，为了测量内燃机壁内的表面瞬时温度，日本曾经成功研制出夹板式薄膜热电偶；
还有，美国曾经使用热电偶专门对M60式机枪管内膛的表面瞬时温度进行了测量，以300发、200发、10发、5发连射和单发，利用多路采集系统，测得到温度的变化曲线。
早期国外的瞬时温度测量只单纯地为了追求减小传感器的热惯性，经过半个多世纪的发展，现在已经过渡到了先获取传感器的动态响应特性，然后再对其进行动态误差修正与动态特性补偿，其中，动态校准及误差修正技术已经用于接触式测温法中。
日本Tashiro,Y等人为了对热电偶进行动态校准，采用周期性压力振荡促使充满气的管子产生周期性温度振荡；
ErhardSchreck通过利用8
薄膜电阻产生的50
短热脉冲的办法，研究了用于表面瞬态温度测试的微小热电偶的动态特性；
P.T.Ireland等人利用脉冲电流对薄铝箔加热的办法对表面温度传感器的响应时间进行了研究；
法国B.Serio等人利用调制激光技术研究了薄膜热电偶的动、静态校准，他们采用调制频率为1Hz～10kHz，功率为0～100mW的氩离子激光器，通过透镜获取束腰直径为26
的光束，激励宽度为8
的Au/Pd薄膜热电偶，测得传感器的响应时间与时间常数和理论计算值有非常好的一致性。
美国的J.Phillips等人设计了基于热电偶的测温系统，测温范围100℃～800℃，精度[28]。
而在国内，一直到20世纪70年代国内学者才开始对瞬态表面温度的测试展开了研究，虽然起步晚，但是也取得了一定的成就。
例如，针对内燃机燃烧室的表面瞬态温度测试需求，北京理工大学近年来研制成同轴型及双丝型薄膜表面温度传感器；
南京理工大学王普法等人在80年代就开展了盲孔外推测量火炮膛壁温度的研究；
中北大学在瞬态表面高温传感器及其动态校准方面也做出了巨大贡献，研制的蓝宝石光纤黑体腔传感器能在高温、高压、高冲击等恶劣的条件下工作，测量范围是900℃～2000℃，其动态响应时间常数为
s数量级；
沈阳工业大学设计了一种适用于焦炉炭化室温度测量的光纤比色温度测量系统。
系统测量范围为400—1800℃，测温精度为0．2％（1000℃时），分辨率为1℃[29,30]。
1.4本课题研究的内容
本文设计了一种比色测温传感器光电转换电路，并对其进行实验验证。
论文内容总共分为五个章节，根据工作的顺序安排，各章节内容简介如下：
第1章绪论，系统地介绍了课题研究背景、目的和意义，瞬态高温测量的基本方法，综述了瞬态高温测试的国内外现状。
第2章首先介绍了比色测温传感器的能量传输过程及其系统地结构；
其次，从辐射度学的角度系统介绍了比色测温的原理以及其理论上的可行性；
最后通过与其他测温方法的比较，简要地介绍了比色测温的优点。
第3章设计了光电转换电路。
介绍了电路用到的关键的元器件；
设计电路并对电路进行仿真。
第4章利用实验室的现在条件焊接电路，并利用实验室的现有条件对其进行静态标定和误差分析。
第5章结论。
总结论文的主要工作。
2、比色测温系统结构及原理简介
2.1系统结构概述
图2.1系统示意图
系统结构示意图如图2.1所示，被测物发出的辐射能经透镱的作用均匀地照射在覆有滤光片的两象限探测器上。
两象限探测器把辐射能转换成微弱的电信号，经后续的信号放大和滤波处理电路后输出。
插线接口
图2.2比色测温传感器结构示意图
比色测温传感器的系统结构如图2.2所示，主要由保护壳体、蓝宝石窗、物镜、场镜、贴有窄带滤光片的二象限探测器、光电转换及放大电路、输出接口等。
保护壳体主要用于防止外界的高温、高压以及外力的冲击对传感器的破坏及对测量精度的影响。
在物镜前加蓝宝石窗的作用是为了隔绝粉尘、烟雾、蒸汽等。
以防止被测目标或温度场产生的粉尘等对透镜级及光敏面污染，进而影响测量精度。
物镜是为了接收入射光并成像在场镜的前表面上。
场镜的作用是减小光束口径并将辐射能均匀地投射在二象限探测器上。
覆有窄带滤光片的二象限探测器主要作用是把相应波长的辐射能转换为电信号，并将电信号传送到后级放大及滤波电路。
光电放大电路的作用，是对前级电信号进行滤波放大并输出。
2.2比色测温基本原理
辐射测温的原理基于黑体辐射的普朗克（Planck）定律，从经典物理学的观点看，任何物体只要温度高于绝对温度（
），就必然会向外发出热辐射，其辐射出射度与温度以及波长，还与发射率有关，具体由普朗克定律和维恩定律描述。
热力学温度为
的非黑体物质，它的辐射及分布可以由普朗克黑体辐射定律描述：
（2.1）
式中
为光谱在温度为
时波长
处的单色辐射出射度，
为辐射体在波长
处的光谱发射率。
其中
为第一辐射常数，
为第二辐射常数。
当
时，普朗克定律可由维恩公式近似代替，可简化为：
（2.2）
这样可以使讨论和计算大大简化。
设热力学温度为
的非黑体物质的同一点在波长
下的单色辐射出射度分别为
则波长
处辐射功率的比值
（2.3）
当假设两波长的光谱发射率
时，
（2.4）
此时测得的温度就叫做比色温度
。
物体的真实温度T与比色温度
的误差为
（2.5）
在已知两波长的情况下，测出两波长处辐射出射度的比值
，利用公式（2.4）就能得到比色温度
，在利用公式得到物体的真实温度。
比色温度所表示的是当黑体辐射与非黑体辐射在颜色上彼此最接近时的黑体温度。
公式（2.5）示了比色温度与被测物体真实温度之间的关系
2.3系统测温原理
二象限探测器在系统选择的
与
两个波段内通过接收试样的辐射能量产生的光电流大小为：
（2.6）
（2.7）
是光学系统的有效孔径，视场孔径，光谱透过率等影响因素的比例系数；
表示红外探测器的响应率，
是窄带滤光片的光谱透过率。
因此，二象限探测器接受两个波段范围内的辐射能量而产生的光生电流的比值是：
（2.8）
因为窄带干涉滤光片的带宽非常窄，我们为了简化计算，认为
、
是与
无关的函数，这样上式就可以简化为：
（2.9）
这时对
有影响的包括两个方面的因素，与波长无关的
；
还有就是物体的波长发射率
要想求得
，我们首先利用黑体炉来对系统进行K值标定，不用考虑发射率的影响，这时测得两路输出电流的比值
和温度
的函数关系
（2.10）
（2.11）
可利用中温黑体炉对系统进行标定得出输出电流比值
和黑体温度（比色温度）的关系曲线，得出K值。
由于比色测温传感器中，已采用650nm和850nm两个波长作为探测器的波长。
现利用Mathcad对
进行计算，并作出
随
变化的图形如图2.3所示。
图2.3
变化的示意图
2.4比色测温的优点
对于灰体而言，比色测温的测量温度理论上等于基真实温度，而且不需要了解其光谱的发射率或相对发射率的值。
在使用比色温度传感器对实际物体或温度场进行测量时，并不需要知道其准确地的光谱发射率，只需利用其在两个波段内的光谱发射率之比即可测得物体的真实温度。
在实际的应用中，两个窄带波段的光谱发射率之比要比光谱发射率更容易测量，而且精度要相对较高。
这一点极大的推动了比色温度计的应用。
比色测温主要有以下几个优点：
1、与接触测温法比较而言，比色测温可以避免测温装置对被测对象及温度场的破坏。
2、比色测温法可以很好地减小待测物体表面光谱发射率的影响，通过分析待测物体的辐射性质，选择两个恰当的探测波长。
选择工作波长应满足以下两个条件：
首先，应该有效地避免因待测物体表面辐射性质（如光谱发射率）等的改变造成的误差。
其次，选择合适的波长，使物体可以近似地看作灰体进行计算，使得比色测温法测得的结果更接近真实温度甚至可以视为待测物的真实温度
3、由于瞬态高温传感器一般都用在高温高压极端条件等中，不可避免地会产生水蒸汽、烟雾、粉尘等对光路造成污染，影响介质的透过率，造成传输损耗。
如果使用单色辐射温度计就会对辐射能的传输造成干扰，进而影响测试结果的准确性。
因为比色测温原理有着很强的抗干扰能力，在应用时只要选择工作波长不在吸收杂质的吸收峰值附近即可。
2.5本章小结
本章首先介绍了基于比色测温传感器的整体结构，其次从辐射理论出发介绍了比色测温的基本原理。
在此基础上，阐述了该比色传感器的测温原理，给出了相关的计算公式并用数学工具Mathcad进行计算绘图。
最后对比色测温原理的优点进行简要的说明。
3、光电转换电路的设计
3.1相关元器件简介
3.1.1PIN光电二极管
硅光电二极管是最简单、最具有代表性的光生伏特器件。
光电二极管可以分为以P型硅为衬底的2DU型和以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。
2CU系列光电二极管有两根引出线；
而2DU系列的光电二极管则有3根引出线，除了前级和后级外，还有一个环级，加了环级的目的是为了减少暗电流和噪声。
当硅光电二极管被光照射时，在结区内产生的光生载流子将被加强了的内建电场拉开，光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，就形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。
显然，光电流比无光照时的反向饱和电流大得多，如果光照越强，表示在同样的条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大。
为了提高PN结硅光电二极管的响应速度，减少PN结外光生载流子的扩散时间，常采用P区和N区之间夹着一层相对较厚的本征半导体（I层），又称为快速光电二极管。
PIN光电二极管结构如图3.1所示。
前极
后极
图3.1PIN光电二极管结构示意图
PIN光电二极管有较厚的I层，因此具有以下几个优点：
首先，使二极管的结间距离增大，结电容变小。
当二极管工作反偏电压下时，随着反偏电压的增大。
结电容变得更小，很好地提高了PIN光电二极管的频率响应。
目前是，PIN光电二极管的结电容一般为零点几到几个皮法，响应时间约为1—3ns。
其次，由于内建电场基本上集中于I层，使耗尽层厚度增加，增加了对光的吸收和转换，提高了量子效率和灵敏度，尤其是长波灵敏度。
最后，PIN光电二极管可以承受较高的反向偏压，使线性输出范围变宽。
3.1.2四象限探测器
象限探测器常用来确定光点在二维平面上的位置坐标，一般用于准直、定位、跟踪等方面，它是利用集成电路光刻技术，将一个圆形或方形的光敏面窗口分隔成几个面积相等、形状相同、位置对称的区域（背面仍为整片），每一个区域相当于一个光电器件，在理想的情况下，每个光电器件应有完全相同的性能参数。
但实际上每个光电元件的转换效率往往不一致，使用时必须精心挑选。
典型的象限探测器有四象限光电二极管、四象限硅光电二极管和四象限光电倍增管，也有二象限的硅光电池和光敏电阻等。
图3.2为四象限探测器实物图。
图3.2四象限探测器实物图
3.1.3运算放大器
随着集成电路技术的发展，各种类型的集成放大器广泛应用于光电变换中，尤其是对于大多数微弱光信号的检测中。
由于实际集成运放与理想集成运放比较接近，因此在分析和计算应用电路时，用理想集成运放代替实际集成运放所带
升级会员 