光导纤维红外辐射温度计的数字化改造

郑 陈

上海自动化仪表有限公司 上海 200072

1 课题背景

温度作为一个与工业、科研和日常生活有着密切关系的物理量，能被精确测量已成为一种迫切需求。在常用的测温方法中，非接触测温较之接触测温，有着不需要直接接触被测物体、不会扰动温度场、不会破坏热平衡等优点[1]。

虽然红外热成像测温技术目前在市场上较为火爆，但其一般被用于检测大面积区域中各点温度差异及其相对变化[2-3]，并且测温上限不大于 1000℃。光导纤维具有一定的柔韧度，可在一定限度曲率半径范围内弯曲，辐射能量可沿着弯曲的光导纤维传送给测温仪表，因此可以检测无法直接观察的目标温度，这是普通光路系统辐射温度计所无法实现的。单点式光纤红外辐射高温计在冶金熔炼、锻造、轧制、热处理、硅酸盐、耐火材料、碳素制品等工业和科研场合有着广泛的应用[4-5]。

WHF-65光导纤维是一款典型的红外测温产品，其光缆探头外形小巧，适合在不同场合使用，尤其适用于高温炉窑测温，可以减小炉窑的热辐射，减少能源损耗，不影响炉温均匀分布的热稳定性。然而，在引入数字化技术前，由于传统产品采用由多个运算放大器构成的模拟电路来完成曲线拟合，在标定调试环节存在工艺复杂、费时费工等比较严重的问题，因此制约了产品的进一步发展。为了延长该产品的生命周期，使测温技术得以保存，对该产品提出了数字化改造的要求。

2 红外辐射温度计原理

辐射温度计的理论基础是普朗克定律[6]，即黑体辐射定律，描述了在任意温度下，从一个黑体中发射的电磁辐射率与频率的关系：

(1)

式中：I为辐射率；h为普朗克常数；c为光速；k为玻尔兹曼常数；v为光频率；T为黑体温度。

因此，可以通过在一定立体角内，测量某波段辐射能量来判断黑体当前的温度。虽然在现实世界中绝对黑体是不存在的，但是工程上一般可以通过对特定测量对象进行辐射率修正[7]，最终获得测量对象的实际温度。

基于以上原理，光纤红外辐射温度计将由光学探头采集到的测温目标红外辐射，经光纤传导入硅光电池；硅光电池受到红外辐射后，会产生微小电信号，这个信号经过调制电路处理，变为可以由模数芯片转换的电压信号；模数转换芯片将模拟电压信号转换成数字信号后，发送给主控芯片；主控芯片接收到数据后，进行一系列运算，实现当前目标温度显示、对外报警控制和变送输出等主要功能。光纤红外辐射温度计基本参数见表1。

表1 光纤红外辐射温度计基本参数

3 硬件设计

光纤红外辐射温度计可以分为光路和电路两大系统，其结构如图1所示。

图1 光纤红外辐射温度计结构

光路系统包括探头和硅光电池两部分。探头部分由防护镜、物镜、光阑和滤镜等组成，作用是固定进入光纤辐射量的立体角、聚焦光线，并确保特定红外波段的光线能进入。硅光电池也称硅光电二极管，是非常重要的传感器，起到将光信号转换为电信号的作用。但是由于易受环境温度影响的特性，硅光电池输出信号值很难被解析。为此，设计了电子保温包，将整个硅光电池传感器始终置于(50±1) ℃的环境中，保证其输出稳定。

信号调制电路和模数转换电路是仪表的核心部件，除此之外需要对整个电路的电源波动及空间磁场等干扰因素额外设计电路，工程上一般将这两部分电路布置在一起，统称为采样电路。图2为采样电路原理图，P1为连接至硅光电池的插座；IC1与R1～R4形成的网络将硅光电池产生的微小电流信号转换成电压信号；U1为差动运算放大器，起阻抗匹配作用；R5、C1对信号进行滤波；U2及其反馈网络对信号作放大处理，使信号满足模数转换芯片的电压接收范围；模数转换芯片IC3使用了ADS1115型芯片，使输入的模拟量电压转换为可被主控芯片读取的数字量。

图2 采样电路原理图

人机交互模块主要由机械按键和液晶显示模块组成。为了简化设计，显示模块使用了集成液晶显示模块，集液晶屏、液晶驱动模块、数据存储模块、通信模块于一体，编程简单，可以通过计算机软件完成菜单画面绘制和参数配置，并通过安全数据存储卡烧写程序。主控芯片也可以通过串行口通信完成画面切换、数据显示等操作。

信号输出模块使用继电器实现干触点信号输出，使用数模芯片实现4～20mA电流信号输出。

4 软件设计

软件设计分为两个部分：主控芯片中的程序和显示屏中的程序。

由于将液晶屏的画面显示等驱动程序独立出来由显示模块完成，主控芯片中的程序相对简单，主要完成采样、计算、报警、变送输出及按键处理等功能。为了减小单片机运算负担，需使用中断函数将运算量大、周期长的工作与运算量小、周期短的工作分开，以保证仪表在正常工作的同时，提高仪表的工作稳定性。图3、图4分别为主函数和中断函数流程图。

图3 主函数流程图

图4 中断函数流程图

显示模块的程序主要以画面和菜单设计为主，在满足信息完整度的同时，尽量使画面简洁，方便用户操作。菜单主要由5大画面组成。

(1) 实时值显示画面。显示日期、时间、当前温度值、探头类型、发射率。

(2) 极值显示画面。显示日期、时间、最大值、最小值、近段时间内平均值。

(3) 报警设定显示画面。显示日期、时间、高限报警值、低限报警值、位式调节设定值。

(4) 参数设置画面。显示日期、时间、探头类型、发射率、报警不灵敏区、控制不灵敏区，实现储存数据清空、屏幕自动关闭等操作。

(5) 标定画面。显示探头类型、高低量程放大倍数，以及6个标定点和当前采样值。

图5显示了5个页面的切换关系。

5 技术难点及解决方案

硅光电池有质量轻、可靠性高、使用寿命长、灵敏度高、响应时间短等特性，其输出电流信号受负载电阻影响较大，负载大则灵敏度高，负载小则线性度好[8]。由于测量范围大，一般无法通过适当选取负载电阻来平衡灵敏度和线性度，因此采用多个负载，通过用户手动切换来实现不同量程的电阻匹配。为了提高产品性能，设计方案采用了自动切换方式。

实现信号切换功能的器件有互补金属氧化物半导体电子模拟开关、小功率继电器等。互补金属氧化物半导体电子模拟开关作为一种功能强大、价格低廉的器件在电路中有广泛使用，如图2中IC2使用的CD4051型用于多路切换。但是，对于串接入电流回路的IC1，这类芯片导通电阻通常在几百欧左右[9]，会引入额外测量误差，因此不合适在本电路使用。相对而言，继电器的导通电阻小，一般不大于 1Ω，但是作为含有机械部件的器件，其寿命有限，一般为10万次左右，按每小时10次左右的切换频率算，工作1年即接近理论寿命上限，因此在本应用中继电器也并不合适作为信号切换开关。通过研究，最终使用光电耦合器作为信号切换开关，其隔离电阻高，可达几十兆欧，且导通电阻小，仅 0.3Ω，阻值受温度影响小，在0～50℃范围内变化不超过0.2Ω，并且能实现输入端与控制端电路的隔离，满足应用需求。

图5 光纤红外辐射温度计菜单显示画面示意图

另外，由于光纤的导光性能差异较大，同时电路板的元器件也有差异，因此要在整机组装完成后对每台仪表进行整体标定。

传统的标定方法是通过黑体炉给予温度计标准温度点，记录下每个点的电路输出电压，最后调节电位器使仪表的读数能与温度值匹配。由于温度-电压曲线的线性度较差，需要将整个量程分为多个线段拟合。在通常情况下，输入的标准温度点为整百摄氏度点，以600～1000℃量程为例，即为600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃。如果需要提高精度，则需要增加标定温度点，一般情况下，精度等级5%需要每200℃一个标定点，精度等级2%需要每100℃一个标定点，精度等级1%需要每50℃一个标定点。这样要达到最高精度等级，600～1000℃量程需要10个温度标定点，1500～3000℃量程需要20个温度标定点，而提供标准温度的黑体炉每切换一个温度平衡点至少需要0.5h，传统方法可谓费时费力。

为了能解决这个制约生产的问题，在保证精度的情况下尽量简化生产调试过程，笔者在一批产品中随机抽取了6台，对其信号调制板的输出做了仔细记录，数据见表2。

表2 温度-电压曲线原始数据

从6台温度计的温度-电压关系曲线(图6)可以看出，6台温度计的线性度较差，同一温度点下不同仪表的数据差异也很大。受到文献[10]启发，对这6组数据进行回归分析，结果表明，虽然6条曲线从绝对值上看差异较大，但却是线性相关的，即不同的曲线经过简单线性计算之后能基本重合。若记其中1台温度计各温度点电压值为X600、X650、X700、…X1 000，另1台温度计对应温度点电压值为Y600、Y650、Y700、…Y1 000，则存在一组K、B值，使下列等式成立。

(1)

例如，以2号曲线作Y，4号曲线作X，则K=0.4535，B=78.8。从图6中也能看出，运算后得到的2号曲线几乎与4号曲线重合。

图6 温度-电压关系曲线图

计算结果表明，6条曲线基本都符合以上规律。在这个规律的基础上，取6条曲线的平均数作为基准曲线，选择3个温度点作为标定点，记录该温度点的实际电压值，再基于其与基准曲线上对应的温度点一起计算出K、B值，然后基于K、B值对基准曲线上的其它点进行计算，从而拟合出符合规律的温度-电压曲线，并写入内存，这样正常工作时便可以凭借这条曲线直接从采样电压值查询到当前温度值了。

随机抽取5台温度计进行算法试验，结果表明，使用以上算法后，虽然标定点数减少到3点，但精度等级可以达到1%，显著提高了生产效率和产品质量。

6 结论

经过数字化改造的光纤红外辐射温度计外观如图7所示。笔者通过合理的电路设计提升了产品性能，并运用独特的拟合算法简化了标定工艺，大大方便了生产调试，延长了产品的生命周期。

图7 光纤红外辐射温度计外观

[1] 周庆福,杨永军，吕国义.红外辐射测温仪及校准方法探讨[J].计测技术,2008,28(S1)：33-35.

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[5] 严浩宇,闵峻英,黄明泰.高强度钢板热成形极限的模具设计及试验研究[J].机械制造,2010,48(9)：62-64.

[6] 殷际英,颜炜.光纤传输在非接触测温中的一种应用[J].激光与红外,2008,38(2)：158-160.

[7] 丁一,毛明科.红外光纤测温仪设计[J].硅谷,2010(5)：24.

[8] 白日午,王浦.硅光电池辐射测温的误差分析[J].焊管,2003,26(4)：21-24.

[9] 德州仪器.CD4051B：具有逻辑电平转换功能的CMOS单路8通道模拟多路复用器/多路解复用器[E/OL].http：∥www.ti.com.cn/product/cn/CD4051B.

[10] 陈杨英杰,侯春哲，余蕾蕾，等.一种新型红外测温仪的研究与设计[J].科技致富向导,2014(32)：172-173.