基于光电二极管的瞬态光学高温计的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种能够对瞬态高温进行精确测量的基于光电二极管的瞬态光学高温计。基于光电二极管的瞬态光学高温计，包括：光信号采集模块；数据采集模块；显示模块。本实用新型的基于光电二极管的瞬态光学高温计，可以在复杂环境中进行瞬态高温精确检测，并同时测得材料的发射率，为研究材料提供很好的依据；数据采集摒弃示波器，采用数据采集记录系统，将温度响应波形数据直接传输到电脑上，简化了对实验结果的数据处理操作，减少了人为因素带入的误差，保证测量结果的一致性。本实用新型可以实现对900～8000K高温进行瞬态检测，可现场实时得到实验数据，是研究冲击波物理、爆轰物理和火药燃烧过程的重要设备。
【专利说明】
基于光电二极管的瞬态光学高温计
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种瞬态光学高温计，特别是涉及一种基于光电二极管的瞬态光 学高温计。
【背景技术】
[0002] 温度是用于工农业生产、科学研究、国防现代化的一个最基本、最重要的参数。根 据温度测量的原理和应用不同，可以分为接触式和非接触式两类。对于高温的测量，目前在 接触式测温中普遍使用金属热电偶测温，而非接触式测温可分为：热辐射测温、比色测温， 将各种测温方法进行对比，如下表：
[0004]可以看出，以上非接触式测温方法具有很多优势，但其也存在缺点:温度显示值受 环境中存在的介质影响较大，对某些不确定物质测温误差较大。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够对瞬态高温进行精确测量的基 于光电二极管的瞬态光学高温计。
[0006] 本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是:基于光电二极管的瞬态光学高温 计，包括：
[0007] 光信号采集模块:通过光纤传光系统采集所需光信号，采用光电转换模块将采集 到的光信号转换为电信号；
[0008] 数据采集模块:采用数据采集记录系统，将电信号进行存储、分析转换为温度信 息；
[0009] 显示模块:实时显示实验温度信号，实现人机交互。
[0010] 进一步的，所述光信号采集模块包括传光系统和光电转换模块，所述传光系统按 光路依次包括光纤探头、第一传光光纤、光纤适配器和第二传光光纤，所述光电转换模块由 光电二极管模块和光电转换电路构成。
[0011] 进一步的，所述第一传光光纤比第二传光光纤的芯径小。
[0012] 进一步的，所述光电二极管模块由光纤适配器、窄带滤光片和光电二极管构成，所 述窄带滤光片集成在光电二极管的光敏面上。
[0013] 进一步的，所述第一传光光纤为6根独立的光纤芯径集成于一体。
[0014] 进一步的，所述数据采集模块由数据记录系统与测温计算系统构成。
[0015] 进一步的，所述显示模块采用电脑显示屏，与数据采集模块相连。
[0016] 本实用新型的有益效果是:本实用新型的基于光电二极管的瞬态光学高温计，拥 有六个通道，且各个通道波长均在〇 . 40μπι~1.62μπι的近红外波段范围内，探测器采用光电 二极管，可以在复杂环境中进行瞬态高温精确检测，并同时测得材料的发射率，为研究材料 提供很好的依据;数据采集摒弃示波器，采用数据采集记录系统，将温度响应波形数据直接 传输到电脑上，简化了对实验结果的数据处理操作，减少了人为因素带入的误差，保证测量 结果的一致性。本实用新型可以实现对900~8000Κ高温进行瞬态检测，其响应时间为纳秒 级（l〇ns)，可现场实时得到实验数据，使用简单，测试结果准确，操作简单，稳定性高，是研 究冲击波物理、爆轰物理和火药燃烧过程的重要设备。
【附图说明】
[0017] 图1是本实用新型的结构示意图。
[0018] 图2是本实用新型的数据采集模块的结构示意图。
【具体实施方式】
[0019] 图1是本实用新型的基于光电二极管的瞬态光学高温计的结构示意图。本实用新 型的瞬态光学高温计包括：
[0020] 光信号采集模块:通过传光系统采集所需光信号，采用光电转换模块将采集到的 光信号转换为电信号；
[0021] 数据采集模块:采用数据采集记录系统，将电信号进行存储、分析转换为温度信 息；
[0022] 显示模块:实时显示实验温度信号，实现人机交互。
[0023] 光信号采集模块包括传光系统和光电转换模块两部分，传光系统按光路依次包括 光纤探头1、第一传光光纤2、光纤适配器3和第二传光光纤4。待测福射源12发光，经过传光 系统将光传输到光电转换模块。由于瞬态测温往往具有破坏性，为节省成本，传光光纤由两 部分组成，第一传光光纤2采用大芯径的较短1-6光纤，第二传光光纤4采用更大芯径的较长 光纤，光纤适配器3将两部分光纤连接在一起。第一传光光纤2比第二传光光纤4的芯径小， 原因是为保证两部分光纤在对接过程中，各个通道光能没有损耗，避免对测试结果产生误 差。
[0024]光电转换模块由光电二极管模块和光电转换电路8构成。光电二极管模块由光纤 适配器3、窄带滤光片6和光电二极管7构成，其中，窄带滤光片6集成在光电二极管7的光敏 面上，使用简单方便，光纤适配器3将第二传光光纤4传输的光传输到光电二极管7的光敏面 上，光电转换电路8将光信号转换为电信号。
[0025] 1-6第一传光光纤2为6根独立的光纤芯径集成于一体，保证采集到辐射源上同一 个点的光，在采集光过程中，6根光纤同时独立地接收辐射源发出的光，而并非采用传统方 式，单根光纤接收光，再将此部分光能量平均分为几部分。本实用新型的传光系统相比于传 统方式，各个通道接收的光能量是传统方式的几倍，从而使更多的光可以传输到光电转换 模块，由于光能量的增强，因此本实用新型的装置测温范围增加，可测低温，保证光电转换 模块对近红外光有响应，达到900~8000K宽量程测温的目的。
[0026]数据采集模块10由数据记录系统20与测温计算系统21两部分构成，数据记录系统 采用采集卡方式，摒弃了传统的高频示波器，减小了设备硬件的体积和资源浪费。数据采集 模块10如图2所示，测量信号的同时性对于应用各段波长的算法至关重要，抗干扰信号屏蔽 线9将通过光电转换电路8转换的电信号输入到校准电路13,校准电路13对输入信号进行处 理，保证多个通道的输入信号是同时刻的。模拟量输入通道15保证经放大后的电信号输入 到数据采集电路16,进行A/D采样转换，采样精度12位，将采样的数据传输到FPGA控制器19， 并通过FPGA控制器19内的测温计算系统21对数据进行处理，得到实验结果，存储器17与 FPGA控制器19数据共享，记录波形数据，进行缓冲，同时FPGA控制器19将实验结果与PXI总 线18进行交互，电脑显示屏11对数据进行显示。
[0027]测温计算系统21采用的六个测量波段均在0.40μπι~1.62μπι的近红外波段范围内， 按照测温原理，在参考辐射黑体源上用参考温度法对六波段高温测量装置进行标定，以便 确定仪器的系统常数Κο(λ?)，与每个通道的波长有关，包括仪器响应函数及透过函数等。在 使用黑体辐射源在参考温度To对装置进行标定时，可以得到各个通道的电压
[0028] j(Ai,T〇)=Ko(Ai)*J(Ai,T〇) (1)
[0029] 按照经典理论，绝对黑体的辐射由普朗克公式描述：
(2)
[0031]式(2)中J(A，T)为黑体的光谱辐亮度，T为黑体温度，λ为辐射波长，Cl = 3.7418X 10-%.111-2为第一辐射常数，。2=1.4388\10-2111.1^为第二辐射常数。通过公式(1)与(2)可 以求得各个通道Κο(λ?)。在实际测温中，当被测对象为灰体时，应为：
[0032] j(Ai) = ￡Ko(Ai)J(Ai,T) (3)
[0033] 式(3)中，j(Ai)为λ?处的实测值，J(Ai，T)为(λ?，Τ)处的理论计算值，ε为辐射体的 发射率。多点测量求温度时，式(3)应为：
[0034] Vi = eKo(Ai)J(Ai,T)-j(Ai) (4)
[0035] 在测出i个通道的光谱辐亮度j(Ai)后，按照最小二乘法原理求满足 (々.二Γ) .... /(七 論
[0036] 相比于传统的计算方式，本实用新型的ε与Τ都是在最终的计算式中求得，误差小。
[0037] 本实用新型的显示模块采用电脑显示屏11，与数据采集模块10相连，将数据采集 卡记录处理的数据进行显示，显示温度曲线与发射率。本实用新型的测温原理是将待测辐 射体的辐亮度与标准辐射体的辐亮度进行比较，测得待测辐射体温度。
【主权项】
1. 基于光电二极管的瞬态光学高温计，其特征在于，包括： 光信号采集模块:通过传光系统采集所需光信号，采用光电转换模块将采集到的光信 号转换为电信号，所述光信号采集模块包括传光系统和光电转换模块，所述传光系统按光 路依次包括光纤探头（1)、第一传光光纤(2)、光纤适配器(3)和第二传光光纤(4)，所述光电 转换模块由光电二极管模块和光电转换电路(8)构成，所述光电二极管模块由光纤适配器 (3)、窄带滤光片(6)和光电二极管(7)构成，所述窄带滤光片(6)集成在光电二极管(7)的光 敏面上； 数据采集模块（10):采用数据采集记录系统，将电信号进行存储、分析转换为温度信 息； 显示模块:实时显示实验温度信号，实现人机交互。2. 如权利要求1所述的基于光电二极管的瞬态光学高温计，其特征在于，所述第一传光 光纤(2)比第二传光光纤(4)的芯径小。3. 如权利要求1所述的基于光电二极管的瞬态光学高温计，其特征在于，所述第一传光 光纤(2)为6根独立的光纤芯径集成于一体。4. 如权利要求1所述的基于光电二极管的瞬态光学高温计，其特征在于，所述数据采集 模块(10)由数据记录系统(20)与测温计算系统(21)构成。5. 如权利要求1所述的基于光电二极管的瞬态光学高温计，其特征在于，所述显示模块 采用电脑显示屏（11)，与数据采集模块(10)相连。
【文档编号】G01J5/10GK205679318SQ201620416436
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月10日 公开号201620416436.3, CN 201620416436, CN 205679318 U, CN 205679318U, CN-U-205679318, CN201620416436, CN201620416436.3, CN205679318 U, CN205679318U
【发明人】刘建军, 雷伟国, 李红星, 徐家文
【申请人】四川海恩瑞捷测控技术有限公司