1 引言

　　在航天,、材料、能源,、化工,、冶金等領(lǐng)域中，高溫測(cè)量占有及其重要的地位,。目前,，在高溫測(cè)量中，根據(jù)測(cè)量探頭是否與被測(cè)對(duì)象接觸,，測(cè)溫儀器分為接觸式和非接觸式兩種,。接觸式測(cè)溫是感溫元件直接與被測(cè)對(duì)象接觸，感受其溫度,，如熱電偶測(cè)溫儀,，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫可靠，缺點(diǎn)是采用貴金屬,，價(jià)格昂貴,，抗氧化、還原能力和抗電磁干擾能力都較差,，且壽命較短[1],。非接觸式測(cè)溫不需與被測(cè)對(duì)象直接接觸,，通過(guò)接收被測(cè)對(duì)象所輻射的電磁波進(jìn)行測(cè)量,，優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快、壽命長(zhǎng),、非消耗型,，易實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量,，但受被測(cè)對(duì)象的發(fā)射率和測(cè)量環(huán)境的因素影響大，抗干擾性差,，且其在研制過(guò)程中涉及到非黑體輻射系數(shù)的難題[2],，使其推廣應(yīng)用受到一定的限制。近年來(lái),，又提出了“接觸-非接觸”的測(cè)溫方法,，但始終無(wú)法克服輻射系數(shù)的確定這個(gè)難題。

　　隨著光纖技術(shù)的出現(xiàn),，為實(shí)現(xiàn)接觸式測(cè)溫提供了條件,。接觸式光纖測(cè)溫即采用一根長(zhǎng)的石英光纖作為測(cè)溫探頭與傳輸系統(tǒng)，使儀器遠(yuǎn)離環(huán)境惡劣的現(xiàn)場(chǎng),，同時(shí),，光纖光路不受環(huán)境氣氛的影響，大大提高了測(cè)溫系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力,。但由于探頭采用一般的輻射接收原理,，仍難以解決發(fā)射率困擾問(wèn)題。為克服這一難題,，提出了灰體測(cè)溫原理,，采用比色法測(cè)溫，能大大降低發(fā)射率對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響,，在最佳條件下,，該影響可降至零。這樣測(cè)溫的好處是測(cè)溫響應(yīng)速度快,，響應(yīng)速度為10ｓ左右[3],。

　　本文開(kāi)發(fā)的消耗型光纖" title="消耗型光纖">消耗型光纖高溫測(cè)量?jī)x，克服了上述缺點(diǎn),，是一種全新的測(cè)量熔融金屬溫度的方法,。其測(cè)溫精度與消耗型熱電偶相同，但測(cè)溫費(fèi)用卻大幅度降低,，有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益,，完全可以取代消耗型熱電偶。

　　2 比色測(cè)溫原理

　　比色測(cè)溫是通過(guò)測(cè)量物體在兩個(gè)不同波長(zhǎng)處的輻射亮度之比來(lái)確定物體溫度的方法,，其特點(diǎn)是可以消除測(cè)量路徑上的大氣,、煙霧、灰塵,、環(huán)境溫度等因素所帶來(lái)的干擾,。

　　3 工作波長(zhǎng)的選擇

　　由式（3）可見(jiàn)，正確選擇波長(zhǎng) 和是至關(guān)重要的,。一般被測(cè)對(duì)象的光譜輻射亮度與波長(zhǎng)和溫度都有關(guān),，如圖1所示,。圖中的縱坐標(biāo)表示黑體的輻射亮度，橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng),，曲線(xiàn)從下至上溫度越來(lái)越高,。

　　圖1  黑體的光譜輻射亮度與波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系曲線(xiàn)

　　從圖中曲線(xiàn)可以看出黑體輻射的幾個(gè)特性：（1）總的輻射亮度隨溫度的升高迅速增加，溫度越高光譜輻射亮度越大,；（2）當(dāng)溫度一定時(shí),，光譜輻射亮度隨波長(zhǎng)的不同按一定規(guī)律變化，曲線(xiàn)有一個(gè)極大值,，此處的波長(zhǎng)定義為,，當(dāng)波長(zhǎng)小于 時(shí)，輻射亮度隨波長(zhǎng)增加而增加,，當(dāng)波長(zhǎng)小于時(shí),，變化規(guī)律相反；（3）溫度增加時(shí),，光譜輻射亮度的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng),，物體的輻射亮度增加，發(fā)光顏色也發(fā)生改變,。

　　初步將波長(zhǎng)范圍定在800～1000nm,，并且在該范圍波段上不存在水蒸氣的主要吸收帶，可以降低測(cè)量誤差,。當(dāng)分別為800nm和1000nm時(shí),，相對(duì)靈敏度曲線(xiàn)如圖2所示。圖中曲線(xiàn)1的相對(duì)靈敏度較高,，由此可知,，應(yīng)選擇在800nm附近。根據(jù)光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)與溫度的關(guān)系,，要求 擁有良好的線(xiàn)性關(guān)系,，根據(jù)線(xiàn)性關(guān)系，取 在950nm附近為好,。

　　經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),，最后選擇 ＝890nm， ＝940nm,，比色測(cè)溫效果較好,。

圖2 相對(duì)靈敏度與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)

　　4  高溫測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

　　高溫測(cè)量?jī)x由光學(xué)部分和電路部分組成，如圖3所示,，包括高溫探頭,、光電轉(zhuǎn)換部分、信號(hào)放大器、信號(hào)的處理與顯示輸出等部分,。

　　圖3  測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)框圖

　　測(cè)量時(shí),，要將消耗型光纖高溫測(cè)量?jī)x的光纖端頭浸入到被測(cè)熔融金屬液中,，插入深度約40cm,。被測(cè)金屬液內(nèi)部溫度通過(guò)對(duì)光纖端面的輻射由光纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換及信號(hào)處理系統(tǒng)。由于光纖不宜直接插入到被測(cè)對(duì)象中,，因?yàn)樵诠饫w插入到所需深度之前,，光纖已經(jīng)被燒壞了，取出的信號(hào)就沒(méi)有意義了,。為實(shí)現(xiàn)接觸測(cè)溫,，必須設(shè)計(jì)一個(gè)光纖的保護(hù)設(shè)施，這個(gè)設(shè)施不僅要耐高溫,，還要能透過(guò)紅外線(xiàn),，使光纖可以順利取出光信號(hào)。所以在光纖測(cè)溫探頭的最前端設(shè)置了一段耐高溫導(dǎo)管,，這樣既保護(hù)了物鏡等監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，又能夠保證探頭可以插入到金屬液中，消除了煙氣和熔渣的干擾,。一般耐高溫導(dǎo)管可用的耐火料有剛玉,、石墨、金屬陶瓷,、碳化硅,、三氧化二鋁等，最后選取了透紅外陶瓷－鎂鋁尖晶石,，其熔點(diǎn)為2080 C,，在900～1100nm的紅外透過(guò)率約為79～80％，是一種耐熱沖擊,、能長(zhǎng)期耐雨蝕和耐磨損的高強(qiáng)度紅外窗口材料和整流罩材料[4],。

　　由于是高溫測(cè)量，在高溫下,，光纖每測(cè)量一次就會(huì)損壞一段,，因此還要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的光纖導(dǎo)入和切斷系統(tǒng)。