專利名稱：非接觸式測溫方法、點溫儀及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于溫度測量技術領域，尤其涉及一種非接觸式測溫方法、一種采用上述 方法的點溫儀及其應用，用以替換市場上已有的非接觸式測溫儀和非接觸式溫度傳感器系 統(tǒng)，提高測量精度。
背景技術：
在接觸式測溫方法中，國際上已經(jīng)公認鉬電阻(-200°C +900°C )和鉬-銠熱電 偶(300°C 1450°C )其測量的溫度是準確的，并可作為接觸式計量溫度的標準具，因為它 具有測量一個點的溫度，并且與接觸該點的表面材料無關的特性，在溫度緩慢變化或者靜 態(tài)的條件下具有很高的精度。但是由于鉬電阻和熱電偶在高溫狀態(tài)下不能勝任、動態(tài)目標 不能應用、與現(xiàn)代計算機高速響應不能配套等原因，未來的發(fā)展還是非接觸式測溫方法趨 于主導地位。由于被測目標表面受對流、傳導、熱輻射的影響，其表面溫度不可能均勻，即使 是一個保溫箱，把對流、傳導、熱輻射全部隔絕，箱內放置的物體表面溫度仍然是不均勻分 布，只是隔絕狀態(tài)下是穩(wěn)定的溫度梯度與不隔絕狀態(tài)下是隨機變化的溫度梯度的差別。所 以測定一個點的溫度才能表示溫度是一個精確的概念，測定一個面的溫度是一個模糊的、 大約的概念。并且溫度是度量物體冷熱的物理量，其度量時對任何材料應該一視同仁?？?是現(xiàn)在市場上已經(jīng)在廣泛應用的非接觸式測溫儀，如許多國家在生產的非接觸式紅外測溫 儀，光學高溫計，精密輻射高溫計等，都不能測量點溫，都與被測表面的材料有關，與非接觸 測量的距離變化有關。這些測溫儀的理論依據(jù)是黑體輻射定律，德國物理學家普朗克在 1900年做這個實驗的出發(fā)點是想修正維恩提出的最大輻射功率的波長隨著溫度升高向短 波方向移動的位移定律。但這個實驗的最大貢獻卻是為量子光學的建立提供了依據(jù)，因為 他用數(shù)學推導方法得到了電磁波的量子化假說，普朗克與1905年提出光子理論第一人的 愛因斯坦的光子假說都成為量子力學的基石。他們的實驗與理論確認了光的波粒二象性， 結束了三百多年的爭論。普朗克發(fā)現(xiàn)黑體輻射定律的時候還沒有半導體光電二極管、紅外 探測器，更沒有光纖。他用一個空心球體作為黑體，將熱電偶的端點置于球心，加熱球體外 表面，由于內表面的積分效應，使輻射熱聚集到球心處的熱電偶端點，得到了任意溫度下， 黑體輻射功率與輻射波頻率或者波長之間的關系，稱為普朗克黑體輻射定律。我們通過多 年的實踐與研究表明該定律存在兩個問題其一，熱電偶端點是兩根不同材料的金屬絲結 點受熱，產生電動勢，我們稱為熱電效應，不是光電效應，但根據(jù)黑體輻射定律，黑體輻射波 是一種光波，加熱了熱電偶，實際上光波轉換成電流，必須具有光電效應的轉換元件才能發(fā) 揮最大的效率；問題之二 眾所周知，熱電偶只有接觸被測物才有正確的溫度值，像普朗克 的實驗裝置那樣，既不是接觸式，又不是埋入式，將熱電偶置于熱場空間的球心能量不可能 準確代表內球面的能量。實踐證明普朗克定律應用于測溫技術中，只是一個近似溫度或者 相對溫度，不是真實溫度。即使后人采用了先進的傳感器光纖、先進的光電轉換元件，只要 以黑體輻射為標準，非黑體采用調整輻射系數(shù)補償溫度的方法，同樣得到的是一個穩(wěn)定的、 不正確的溫度，因為其信號接收與處理方法，無法滿足真實溫度的要求，尤其輻射系數(shù)與同類材料組分差別、材料表面粗糙度差別、顏色差別有關，采用雙波長比較法，可以補償距離 變化給溫度帶來的誤差，但距離又與輻射系數(shù)、提供信息的目標面積等因素攪拌在一起，沒 有一種固定的關系式。因此市場上已經(jīng)存在的以普朗克黑體輻射定律為基礎的非接觸式測 溫儀，實際上均不能真正正確地測量溫度。

發(fā)明內容
為了解決上述的技術問題，本發(fā)明的目的是提供一種非接觸式測溫方法以及采用 上述方法的點溫儀，以及該點溫儀作為標準具的應用，達到了光學點溫的測量，并且具有與 材料無關、與輻射波無關、與發(fā)熱體面積無關、與非接觸有限距離變化無關的特性。我們確認，以波動光學成像理論為基礎，結合20世紀50年代末已經(jīng)誕生的傳感器 光纖以及在量子光學引導下在20世紀60年代問世的半導體激光器、光電二極管等器件，完 全可以把非接觸式測溫儀徹底改正。波動光學成像理論告訴我們，一個單球面透鏡像差大， 好比單透鏡的玩具照相機，在準確調焦下，雖然像面邊緣不清楚，但像面中心始終是清楚地 呈現(xiàn)在我們面前，證明目標表面與透鏡同心的那一部分波能不失真地到達了像面，用光欄 可以進一步縮小中心像面，然后再用光纖端面與像面中心耦合，實現(xiàn)點目標測量目的。從波動光學經(jīng)典理論可知，光波的頻率(Y)，是真空中的光速(C)除以該光波的 波長(λ )，即；Y = C/ λ，C = 30萬公里/秒。貝丨」γ = C · Ln' λ，因為1/ λ是In λ的 微分?，F(xiàn)定義波數(shù)(m)是波長的倒數(shù)，即m = l/λ = Ln' λ(1)式(1)表示波動光學指出的任何物質都在連續(xù)不斷地波動，溫度引起波動頻率 的改變，溫度與單位時間內波動的次數(shù)，簡稱為“波數(shù)”成正比，即溫度越來越高，波數(shù)越來 越大，得到m = Ln' T/b(2)式(2)中b為兩個波數(shù)之間的間隔，T為開爾文溫度。說明波長與溫度的關系呈 現(xiàn)單調下降性，則波數(shù)與溫度的關系呈現(xiàn)單調上升性。我們只要測定波數(shù)，即得到了對應的 溫度。但波數(shù)與光波的頻率一樣，向前傳遞的速度太快了，目前還沒有器件能直接分辨兩個 波數(shù)之間的間隔，也就是沒有能力直接計量波數(shù)的個數(shù)。另一方面，波數(shù)前進的路程，稱為 “光程”，是一條直線，但這一條直線不是勻速運動形成，而是按自然對數(shù)的規(guī)律形成。所以 采取其中一種方法，即把溫度的變化引起單位時間內波數(shù)數(shù)量的改變轉換為波數(shù)功率的改 變，然后再把波數(shù)功率微分，用微分后微單元的個數(shù)表示相應的波數(shù)，這就是采用光電探測 器實現(xiàn)光電轉換，把波數(shù)的光功率轉換成電功率，再用模數(shù)轉換器A/D，把電功率微分，我們 稱為碼數(shù)，然后由微型計算機統(tǒng)計碼數(shù)的多少表示相應的溫度。由此得到下列公式；N = {LnT/(Nh-No) }· (Nh/B)-No(3)式中；N為對應溫度T的十進制碼數(shù)；LnT為溫度的自然對數(shù)值，其中T為開爾文溫 度，T = 273+°C，Nh為設定的測溫范圍內上限溫度的碼數(shù)，或者是光電轉換器件飽和點的碼 數(shù)；No為設定的測溫范圍內下限溫度的碼數(shù)，或者是光電轉換器件截止點的碼數(shù)；B為兩個 碼之間的間距，可由下式得到B = LnT/N(4)如果用式(3)求B時，規(guī)定No = 0，即與式(4) 一致。若碼數(shù)相對增大，則B值縮小，測溫的精度相對提高。公式C3)具有普遍的適應性，可以方便檢查產品是否達到設計指 標，并且方便地編寫軟件，當被生產的測溫儀標定和刻度時，如果繼續(xù)使用黑體標定爐，那 么只需標定兩點，如果用點光源標定設備，可以在1分鐘內實現(xiàn)精確的溫度刻度。實際在現(xiàn) 場使用時，本發(fā)明的三個特征立即體現(xiàn)，達到了光學點溫的測量，并且與材料無關，與輻射 波無關，與發(fā)熱體面積無關、與非接觸有限距離變化無關的特性。本發(fā)明的一種非接觸式測溫方法，把溫度變化引起物面上的波能在單位時間內波 數(shù)數(shù)量的改變轉換為波數(shù)光功率的改變，然后通過光電轉換把波數(shù)的光功率轉換成電功 率，再通過模數(shù)轉換把電功率微分獲得碼數(shù)，然后統(tǒng)計碼數(shù)的多少即可表示相應的物面溫 度(參見公式4)。進一步說，將物面上一點的發(fā)散球面波通過透鏡會聚在光學檢波器上， 光學檢波器檢出最高溫度波能，并分別通過光纖進入光電探測器進行光電轉換，然后由放 大器進行信號放大再進行模數(shù)轉換。其特征之一是非接觸測點溫、特征之二是與被測目標 的材料輻射系數(shù)無關、特征之三是與目標和測溫儀之間的非接觸距離無關。本發(fā)明的立足 點是對照熱電偶接觸式測溫時滿足兩個條件(a)對被測目標實現(xiàn)點溫測量；(b)與被測目 標材料的輻射系數(shù)無關。本發(fā)明的非接觸式光學點溫儀，不僅滿足這兩個條件，而且還必須 加第三個條件，即(c)與非接觸距離變化無關。從公式(1)44)表明，隨著新穎元器件的出 現(xiàn)，數(shù)字化技術的發(fā)展，任何物理量都可以微分為01、01……的微單元組成，統(tǒng)計這一些微 單元的個數(shù)所達到的精確度，遠遠超過前人已有的方法。由于被測一點波源具有的總能量 是每一個波數(shù)攜帶的能量之和，波數(shù)傳播的路程(我們稱為光程)是一條直線，這一條直線 的能量與溫度成正比，而且按自然對數(shù)的規(guī)律分布。而這一條直線的起點是從波源開始，所 以只要統(tǒng)計波數(shù)的多少，即表示波源溫度的高低。為了達到上述要求，本發(fā)明說明其中一種常用的方法采用視角小于20度的球面 透鏡與自聚焦透鏡(一種焦點在端面上的平面微透鏡)構成點像望遠鏡，當物面上的波能 不失真地成像在自聚焦透鏡后端面上，與光學檢波器耦合，使物面上的波能只有與光軸同 軸的、直徑只有通光口徑那么大的圓柱光束能夠透過檢波器，又與光纖耦合，達到了點溫測 量。因為檢波器具有二維衍射光柵結構，通光口徑有直徑2毫米、6毫米、20毫米、30毫米等 根據(jù)需要設計。傳感器光纖后端面輸出波形與溫度源表面波能波形相似，即達到了與材料 輻射系數(shù)無關的目的。從光纖輸出波數(shù)的光學模擬量經(jīng)微分后成為光學數(shù)字量，這一過程 正好吻合溫度越高峰值波長越短，波數(shù)越大的規(guī)律。由于波數(shù)可以通過晶體振蕩器倍頻后 變成碼數(shù)，由微處理器統(tǒng)計碼數(shù)的多少，即為相應的溫度。同時可選擇晶體振蕩器決定點溫 儀的等級，如0. 1°C變化需要10個碼數(shù)或100個碼數(shù)，或更多，碼數(shù)越多精度越高。為了使 像面始終保持清晰，可以手動調焦、也可自動調焦、也可以不調焦就始終保持像面清晰。為 了補償非接觸距離增加引起像面分辨率下降的問題，可以再用一根大芯徑光纖耦合從光學 檢波器中出射的次高波能，并且與最高波能進行比較，消除距離增加點像分辨率下降的影 響。本發(fā)明的一種原始創(chuàng)新的非接觸式光學點溫儀，包括透鏡、光學檢波器、光電探測 器、放大器、模數(shù)轉換單元和微處理單元，物面上一點的發(fā)散球面波通過透鏡會聚在光學檢 波器上，光學檢波器的輸出端通過光纖連接光電探測器，光電探測器的輸出端連接放大器， 放大器的輸出端連接用于模數(shù)轉換和微分處理的模數(shù)轉換單元，模數(shù)轉換單元的輸出端連 接用于計數(shù)并輸出溫度信號的微處理器。進一步說，所述模數(shù)轉換單元可以是包括光開關，光開關輸出端通過光纖與光電二極管連接，光電二極管的輸出端連接微處理單元；所述微 處理單元可以為微處理器。將物面上一點的發(fā)散球面波通過球面透鏡會聚在光學檢波器 上，光學檢波器檢出最高溫度波能和次高溫度波能，并分別通過兩根光纖進入光電探測器 進行光電轉換，然后由對數(shù)放大器進行放大并輸出推動光開關，使開關的次數(shù)正比于模擬 量微分，即達到了從光學檢波器輸出的光學模擬量變換成從光開關發(fā)射的光學數(shù)字量，這 里的數(shù)字量即是所述碼數(shù)，再將該光學數(shù)字量通過光電二極管成為電子數(shù)字量，其間由光 纖隔離并濾波，將該電子數(shù)字量經(jīng)放大器整形后，送入微處理器進行計數(shù)，得到穩(wěn)定的溫度 信號。本發(fā)明的一種原始創(chuàng)新的非接觸式光學點溫儀，特征之一是與被測表面材料無 關；特征之二是非接觸式測點溫；特征之三是與非接觸距離變化無關。(1)在目視系統(tǒng)看 到清晰像面后，表示由球面透鏡和自聚焦透鏡組成點像望遠鏡輸出的波形與波源的波形相 似，保證特征之一；( 在自聚焦透鏡后，連接光學檢波器中心輸出光波代表被測溫度的最 大波能，然后用光纖與最大波能耦合，由于光纖端面直徑小于300微米，保證了特征之二， 達到點溫測量。(3)同樣再用一根光纖與光學檢波器的次大波能耦合，讓次大波能與最大波 能相除的商表示被測溫度，消除了距離對波能衰減引起像面分辨率下降保證特征之三。為保證點像望遠鏡的像面清晰，可以采用手動調焦、自動調焦和不調焦三種方法。 其中自動調焦光路中的光學自適應調焦器由幾百根50微米以下的光纖束整齊排列并且融 接在一起，厚度為2-4毫米、直徑為5-8毫米光學玻璃做成，并且與自聚焦透鏡前端面緊靠 并同軸，自聚焦透鏡后端面出射平行光與光學檢波器連接耦合。所述光學檢波器是一個透射位相光柵，也可用衍射光柵，每毫米150-300條線，根 據(jù)測溫范圍選擇普通光學玻璃、硒化鎘紅外玻璃、非晶硅等材料作成，其零級極大為干涉條 紋、一級極大為衍射條紋，采用兩根相同芯徑，長度為150毫米左右的光纖分別耦合0級和 1級出射光，然后以1級/0級的比值對數(shù)表示相應的溫度，提高了溫度的真實性和準確性。所述的兩根光纖出射端連接兩個性能相同的光電探測器進行光電轉換，又同時進 入復合對數(shù)放大器(Tl出品logl04)得到1級比0級的對數(shù)值后又用二級前置放大器倒相、 節(jié)流、調零后連接一個光開關，相當于自適應碼數(shù)轉換器，達到了相應溫度的光學模擬量轉 換為光學數(shù)字量。也可直接用電子模數(shù)轉換器。所述光學數(shù)字量可用光纖長距離傳輸，也可短距離隔離數(shù)字量與模擬量之間相互 干涉，從光纖出射端再連接光電轉換器，將碼數(shù)進入單片機計數(shù)并且顯示對應的溫度。達到 高精度測溫并且精度可調的目的，本發(fā)明的信息處理采用光電-電光-光電混合的方法外， 還設置了自適應碼數(shù)轉換器(光開關)，將模擬量微分與碼數(shù)對應，并輸出一條值線，以對 數(shù)坐標分割這一條直線，正好吻合溫度越高，碼數(shù)越多，相同溫度間隔的碼數(shù)隨著溫度升高 而逐漸減少的規(guī)律。使之在o.orc，o. rc或者rc的分辨率，有足夠多的碼數(shù)，從而達到高 精度并且精度可調。從上述的高精度測量外，為了達到批量生產點溫儀的一致性，設置特性校正方法 是在對數(shù)坐標下由碼數(shù)形成的輸出直線，以坐標原點為溫度起點，旋轉該直線的方法，由其 旋轉的正負角度變化，使每一臺標準具達到特性一致的目的。本發(fā)明的光學系統(tǒng)基本形式是一塊透鏡和透鏡后焦點內的檢波器，耦合一根傳感 器光纖，光纖后端面輸出波形與波源波形相似或者不相似，區(qū)別接收波源的波能還是輻射波的波能，在光纖與透鏡之間可分別加入光學自適應調焦器、二維衍射屏、自聚焦透鏡，或 者全部加入，則構成了 5種光學系統(tǒng)，成為不同的規(guī)格。從光學檢波器的次級極大再耦合一根光纖成為兩根光纖分別輸出不同波長信號 比較可以消除距離變化引起的誤差，也可以耦合多根光纖實現(xiàn)多參數(shù)比較，成為溫度引起 被測物質變的多參數(shù)檢測儀。所說的改變光學檢波器為普通透射光柵，光柵出射端緊貼陣列光電探測器，或者 紅外(XD，可以成為一種紅外波像儀。本發(fā)明的非接觸點溫儀有資格上升為非接觸式溫度標準具，可以拋棄黑體爐的傳 統(tǒng)標定方法，用鎢帶燈、舞臺燈泡、鹵素燈、白熾燈作光源成為標定設備，大幅度縮短生產周 期。本發(fā)明已經(jīng)做到了與距離無關，與輻射系統(tǒng)無關。如果采用折線法、擬合法，在擬 合方程中引入修正系統(tǒng)，本質上是引入輻射系數(shù)，將接收系統(tǒng)已經(jīng)做到與距離無關的特性 又變成與距離有關了，所以電路會破壞光路的光學特性。本發(fā)明可以成為溫度標準具，與標定爐配套，只需溫度可調的恒溫源，不需要黑體 爐，只需要耐高溫氧化的靶面或其它熱源，可以簡化標定程序，縮短生產周期，節(jié)能增效顯
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圖1為本發(fā)明的一種非接觸式光學點溫儀組件示意圖。一個點像望遠鏡，從物鏡1處獲取目標表面光譜信息后，被分波器2分成兩路，一 路由30%的可見光透過分波器會聚在分劃板3上，從目鏡4處用于瞄準目標；另一路經(jīng)分 波器將物面上各個點的波能會聚在物鏡的焦面上，然后由件6、7、8保證了點溫測量并與輻 射系數(shù)無關的特性。件10、11、12、13保證了光學模擬量轉換為光學數(shù)字量。件14、15、16、 22、M組件保證排除模擬量與數(shù)字量之間的干擾，將光學數(shù)字量轉換成電子數(shù)字量。通過微 處理器17計數(shù)，將數(shù)字信號直接與計算機18連接，顯示相應溫度?？梢詫⑺胁考惭b在 任何形狀的外殼內，為了調試使用時能方便對準目標，殼體上設有液晶顯示塊和4個按鈕， 使液晶片中顯示與計算機同步。并且可由件19進行功能擴展，控制信號可從件19中引出 模擬量控制，也可從計算機弓I出數(shù)字量控制。其中部件如下
1.物鏡(球面透鏡)13.光開關
2.分波器14.紅外發(fā)光管
3.分劃板15.光電二極管
4.目鏡16.整形放大器
5.反射鏡17.單片機
6.自聚焦透鏡18.計算機
7.光學檢波器19.功能擴展芯片
8.大芯徑光纖20.液晶屏
9.連動調節(jié)機構21.4個按鈕開關
10.光電探測器22.光纖
11對數(shù)放大器23.電源12.四運算放大器24.光敏管比較電路圖2為本發(fā)明的調焦原理說明示意圖。進一步說明在準確調焦保證像面清晰不失真的條件下，物面上某一光學點的波能 已經(jīng)相似地到達像面?；乇芰藗鹘y(tǒng)的非接觸式測溫只能測定輻射波，與物體表面材料有關 的誤區(qū)。因此傳統(tǒng)的非接觸式測溫儀與被測表面的面積有關、與材料輻射率有關、與非接觸 距離有關；本發(fā)明的測溫儀對應了三個“無關”。圖2(a)是手動調焦的原理圖。圖2(b)是 自動調焦的原理圖，圖中的件25為光學自適應調焦器，由50微米以下的幾百根玻璃絲融合 在一起的光學面板，一般在2-4毫米厚度內。圖2(c)為不用調焦的原理圖，件沈是二維衍 射屏。圖2(d)是依靠光纖端面與光學檢波器的耦合距離調節(jié)，只能利用前沿上升段，不可 利用后沿下降段。圖3為本發(fā)明作為標準具的應用示意圖。說明本發(fā)明可成為非接觸式標準具，應用于傳統(tǒng)標定設備，但這些傳統(tǒng)的標定設 備一般耗能、費時、費工，并且價格昂貴，運營費用大，因此用白熾燈光光源代替標定爐這一 設想前人早已提出，但一直沒有很好實現(xiàn)。本發(fā)明可應用于中溫和高溫標定爐。其中部件 如下31.本發(fā)明的光學點溫標準具 35.白熾光源32，37相同的兩根平行光管38.待標定的點溫儀33，36相同的兩塊均波片39.計算機34.儀表風扇40.可調穩(wěn)壓、穩(wěn)流器
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做一個詳細的說明。圖1為本發(fā)明的一種非接觸點溫儀，由球面透鏡1、分劃板3和目鏡4構成瞄準系 統(tǒng)。微調目鏡，使物面清晰地成像在分劃板上，物面一點的發(fā)散球面波經(jīng)透鏡會聚后，30% 的可見光透過分波器2會聚在分劃板3上，代表溫度的波能從分波器2反射后，又經(jīng)反射 鏡5轉向會聚在自聚焦透鏡6的前端面上，由分劃板2和自聚焦透鏡6構成一個聯(lián)動裝置。 從目鏡4處看到清晰像面，同時，自聚焦透鏡的后端面也必定是清晰的像面，該像面連接光 學檢波器7出射溫度的波能和次高溫度的波能，分別與兩根光纖8耦合，將真實的溫度信號 分別進入光電探測器10進行光電轉換后，由復合對數(shù)放大器11(TI出品logl04)放大，連 接運算放大器12，其作用是倒相、調零、節(jié)流并推動光開關13，使開關的次數(shù)正比于模擬量 微分，即達到了從光學檢波器輸出的光學模擬量變換成從光開關的紅外發(fā)光管14發(fā)射的 光學數(shù)字量，這里的數(shù)字量實際上是碼數(shù)，所以光開關在這里是一個自適應碼數(shù)轉換器，碼 數(shù)與波長成反比，與波數(shù)成正比，再將光學數(shù)字量通過光電二極管15成為電子數(shù)字量，其 間由光纖22隔離并濾波，將電子數(shù)字量經(jīng)放大器16整形后，送入單片機17 (微處理器)進 行計數(shù)，得到穩(wěn)定的溫度信號進入計算機18界面軟件記錄并顯示，并由計算機輸出相應的 數(shù)字控制信號?？梢钥刂葡鄳膱?zhí)行機構，使溫度源在需要的時間內穩(wěn)定輸出。也可利用 擴展功能19，比如將數(shù)字量轉換成模擬量(D/A)，輸出0 20mA，4 20mA，RS485接口等， 具有設定溫度/顯示溫度和控制溫度等功能。常用的PID調節(jié)系統(tǒng)，也可從19處連接，即溫度源功率P、電流I和溫度D三者互相制約達到控溫目的，因二次儀表(計算機，機柜等) 可能遠離點溫儀，所以在外殼有液晶顯示塊20，為安裝、調試方便而設置，但液晶塊只要取 整數(shù)位即可，通過操作按鈕21達到狀態(tài)校正的目的。同時也可能多臺點溫儀共用一個終端 時，對每一臺點溫儀進行編號。件23為電源，士 或24Vdc，電源一般從機箱、機柜引入。 在使用時，由于光電探測器的缺陷，當被測溫度在400°C以下時易受陽光或白熾光中的紅外 波干擾，這時可在物鏡1前或后設置一個光敏二極管M和四運放芯片12連接，當點溫儀工 作在起始溫度時，白光干擾在件12的輸出與光敏管M在件12的輸出相等時，溫度顯示為 零，即達到了排除干擾的目的。圖2進一步說明如何回避傳統(tǒng)的非接觸式測溫與材料輻射率有關的誤區(qū)，由于物 面溫度的變化導致波能的變化，采用光纖高速傳輸波能的特性和波能本身在空氣中以每秒 30萬公里高速傳播，波能高速通過點像望遠鏡到達像面。檢波器檢出了像面中心點，由于光 纖端面直徑小于300微米，實現(xiàn)非接觸式點溫測量。并且把球面透鏡1與自聚焦透鏡6組 合，遠距離或近距離都適用。光學檢波器分解成最高溫度波能和次高溫度波能，分別由兩根 光纖8耦合，其耦合效率如圖2(d)所示光纖端面與光學檢波器端面直接接觸(H = 0)，被 測點的直徑最小，輸出功率P也最小。當H增大時，點的直徑變大，輸出功率P增大，H增大至 0. 5 Imm時，輸出功率逐漸下降，可用光功率計調整其合適間距H。本發(fā)明球面透鏡直徑為 25. 4mm，等于1英寸，焦距為60mm，自聚焦透鏡采用1/4周期鋰玻璃系列，直徑為Φ 2mm，長 度為14mm，實際這些參數(shù)可以方便地改變，包括光纖直徑300 μ m。光學檢波器實際上是透 射式二維光柵，利用0級極大條紋進一步證明像面上的波長就是物面上的波長。零級干涉 需要二個以上的光波具備三個條件才能產生(a)同一頻率光波；(b)相同的振動方向；(c) 每列光波有一定的相位差。從條件(a)中就可知道，物面上同一頻率的光波就是同一波長、 同一溫度的光波。條件(b)和(c)又說明檢波器中輸出的光點光強，就是物面上的光點、光 強，所以與材料的輻射率無關。實質上關鍵在于準確調整焦距。圖2(a)為手動調焦，類似 照相機那樣移動物鏡，在目鏡處看到像面清晰即可。圖2(b)為自動調焦，將光學自適應調 焦器25置于物鏡1焦面上，并且緊貼自聚集透鏡6端面，由于自適應調焦器是由幾百根直 徑小于50微米的薄包層光纖或者光學玻璃絲整齊排列、互相融接在一起，然后切成直徑10 毫米以下、厚度為2-4(毫米)、兩面拋光的薄片，即可達到自動調焦的目的。圖3(c)為不調 焦的光學系統(tǒng)，實質上是在物鏡1的前焦點上加二維衍射屏26，與后焦點內的檢波器7配 合，即可達到不調焦的目的。上述方法說明調焦準確，光學檢波器出射的波形與波源的波形 相似，采用光纖與檢波器出射波能耦合，使最高溫度波能和次高溫度波能比較的方法，消除 非接觸距離增加對像面分辨率的影響。應該說明這個‘距離’還是指有限距離。隨著球面 透鏡的口徑增大，焦距增長，非接觸距離可達到光年量級(1光年等于10萬億公里)。本發(fā)明是一種非接觸式點溫儀，采用一種創(chuàng)新的信號處理方法，從圖1中可知，光 學模擬量經(jīng)光電探測器10后成為與件10的輸出特性相吻合的電子模擬量，又經(jīng)對數(shù)放大 器11后，又經(jīng)過二級放大器12倒相、調整零點和節(jié)流，經(jīng)光開關13將波數(shù)的模擬量微分， 由件14產生光學數(shù)字量，通過光纖可以長距離傳輸，這里也可以采用電子模數(shù)轉換器，然 后直接連接單片機17計數(shù)，碼數(shù)輸出是一條直線，不需要線性校正。本發(fā)明是用對數(shù)分割 的方法保證這一條碼數(shù)組成的直線不變，正好符合波數(shù)按對數(shù)規(guī)律分布的原則。其優(yōu)點在 于(1)可以選擇IOOMHz以上的高頻率晶體作振蕩器，按照溫度越高，碼數(shù)越大，但相同溫度間隔之間碼數(shù)隨著溫度升高碼數(shù)越來越少，選擇器件時可以通過計算上限溫度每度變化 1°C、0. 1°C、0.01°C是多少個碼，既保證了精度，又保證了穩(wěn)定性。( 當各種元器件的性能 指標有差異，引起各臺儀器輸出特性不一致時，可以非常方便地校正，只要把碼數(shù)形成的直 線置于對數(shù)溫度與碼數(shù)為X-Y的直角坐標下，以0點為原點，旋轉碼數(shù)形成的直線(改變斜 率)即可校正最終結果，使每臺儀器輸出特性一致。本發(fā)明已經(jīng)做到了與距離無關，與輻射系統(tǒng)無關。如果采用折線法、擬合法，在擬 合方程中引入修正系統(tǒng)，本質上是引入輻射系數(shù)，將接收系統(tǒng)已經(jīng)做到與距離無關的特性 又變成與距離有關了，所以電路會破壞光路的光學特性。本發(fā)明可以成為溫度標準具，與標定爐配套，只需溫度可調的恒溫源，不需要黑體 爐，只需要耐高溫氧化的靶面或其它熱源，可以簡化標定程序，縮短生產周期，節(jié)能增效顯 著。如圖3所示，可生產一種新穎的高溫標定設備，把鹵素燈、舞臺燈、鎢帶燈等作為 光波的發(fā)射源，置于二根60cm 70cm的平行光管之間，一邊安裝本發(fā)明的一種非接觸式計 量溫度的標準具，另一端為被標定的測溫儀，其中31為標準具；32和37為平行光管；33和 36為均波片；34為儀表風扇；35為白熾光源；38為待標定的測溫儀；39為計算機；40為可 調穩(wěn)壓穩(wěn)流源。用同一原理還可生產非接觸式溫度標準具；標準具比被標定的對象至少高一級精 度，比如，被標定的測溫儀要求精確到rc，那么溫度標準具至少精度為0. rc ；至于攝氏溫
度(°c )與華氏溫度(° F)的顯示，那是可以通過軟件實現(xiàn)，因為
權利要求
1.一種非接觸式測溫方法，其特征在于，把溫度變化引起物面上的波能在單位時間內 波數(shù)數(shù)量的改變轉換為波數(shù)光功率的改變，然后通過光電轉換把波數(shù)的光功率轉換成電功 率，再通過模數(shù)轉換把電功率微分獲得碼數(shù)，然后計量碼數(shù)的多少即可表示相應的物面溫度。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種非接觸式測溫方法，其特征在于，將物面上一點的發(fā)散 球面波通過透鏡會聚在光學檢波器上，光學檢波器檢出最高溫度波能，并分別通過光纖進 入光電探測器進行光電轉換，然后由放大器進行信號放大再進行模數(shù)轉換。
3.采用權利要求1或2所述的測溫方法的一種非接觸式點溫儀，其特征在于，包括透 鏡、光學檢波器、光電探測器、放大器、模數(shù)轉換單元和微處理單元，物面上一點的發(fā)散球面 波通過透鏡會聚在光學檢波器上，光學檢波器的輸出端通過光纖連接光電探測器，光電探 測器的輸出端連接放大器，放大器的輸出端連接用于模數(shù)轉換和微分處理的模數(shù)轉換單 元，模數(shù)轉換單元的輸出端連接用于計數(shù)并輸出溫度信號的微處理單元。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種非接觸式點溫儀，其特征在于，所述光學檢波器是一個 透射位相光柵，也可用衍射光柵。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種非接觸式點溫儀，其特征在于，所述在光學檢波器與透 鏡之間可分別加入光學自適應調焦器、二維衍射屏或者自聚焦透鏡。
6.根據(jù)權利要求3所述的一種非接觸式點溫儀，其特征在于，從光學檢波器的次級極 大再耦合一根光纖成為兩根光纖分別輸出不同波長信號比較可以消除距離變化引起的誤 差，也可以耦合多根光纖實現(xiàn)多參數(shù)比較，成為溫度引起被測物質變的多參數(shù)檢測儀。
7.如權利要求3所述的一種非接觸式點溫儀作為標準具的應用。
全文摘要
本發(fā)明指出了黑體輻射定律用于非接觸式溫度測量的不準確性，提出了一種新的溫度測量和計量方法以及相應的點溫儀，并且提出了對測溫儀標定和刻度的原始創(chuàng)新。由于新穎元器件和數(shù)字化技術的發(fā)展，由于被測點溫度的變化，引起該點波長和頻率的改變，以波數(shù)代表它們的變化量，從溫度越來越高，波數(shù)越來越大的相互關系中，只要測定溫度源頭波數(shù)的多少，即達到了測定源頭溫度高低的目的。由于波數(shù)是能量平均分布的數(shù)字量，統(tǒng)計波數(shù)的多少，即可以達到溫度精確測量。本發(fā)明中表達的四個公式，明確了一點的熱能與波能之間的定量關系，因此可以指導測溫儀的設計、元器件的選擇、軟件的編制和產品的檢驗。
文檔編號G01K11/32GK102135455SQ20101054888
公開日2011年7月27日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權日2010年11月18日
發(fā)明者陳堯生 申請人:杭州自動化技術研究院有限公司