專利名稱：一體化光纖紅外測(cè)溫裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一體化光纖紅外測(cè)溫裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種一體化光纖紅外測(cè)溫裝置。
背景技術(shù)：
[0002]在工業(yè)生產(chǎn)中有許多高溫環(huán)境，如金屬冶煉、發(fā)電廠大型鍋爐、化工生產(chǎn)等。為保 證生產(chǎn)設(shè)備安全及產(chǎn)品的品質(zhì)，對(duì)這些高溫環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)十分必要。目前，紅外 測(cè)溫是一種最有效的監(jiān)測(cè)方法，它是一種非接觸測(cè)溫的方法，測(cè)溫元件不需與被測(cè)介質(zhì)接 觸，而通過(guò)其熱輻射來(lái)測(cè)量溫度。隨著工農(nóng)業(yè)、國(guó)防事業(yè)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展，對(duì)溫度測(cè)量的精準(zhǔn) 度要求越來(lái)越高。在某些場(chǎng)合，紅外測(cè)溫技術(shù)已引起了各方面的普遍重視。[0003]但是，傳統(tǒng)紅外測(cè)溫系統(tǒng)具有瞄準(zhǔn)與測(cè)量不同軸、易受環(huán)境干擾，測(cè)量誤差大等缺 點(diǎn)，限制了其應(yīng)用。本實(shí)用新型對(duì)傳統(tǒng)紅外測(cè)溫儀的光學(xué)系統(tǒng)，硬件部分，軟件部分進(jìn)行了 重新設(shè)計(jì)。在探測(cè)器接收前端引入傳光束并增加激光指示功能，大大提高了系統(tǒng)的測(cè)量精 度和性能，具有信噪比高、分辨率高、測(cè)量精度高、測(cè)試速度快、測(cè)量與瞄準(zhǔn)同軸以及輸出接 口多樣化等特點(diǎn)。實(shí)用新型內(nèi)容[0004]本實(shí)用新型的目的是提供一種一體化光纖紅外測(cè)溫裝置。[0005]本實(shí)用新型解決傳統(tǒng)紅外測(cè)溫系統(tǒng)存在的瞄準(zhǔn)與測(cè)量不同軸、易受環(huán)境干擾，測(cè) 量誤差大等問(wèn)題。[0006]本實(shí)用新型所述一體化光纖紅外測(cè)溫裝置包括待測(cè)物體(I)、光學(xué)系統(tǒng)(2)、光電 探測(cè)單元(3)、運(yùn)算放大器(4)、模數(shù)采集單元(5)、MCU(6)和PC顯示(7)，待測(cè)物體(I)的 輸出與光學(xué)系統(tǒng)(2)的輸入連接，光學(xué)系統(tǒng)(2)的輸出與光電探測(cè)單兀(3)輸入連接,光 電探測(cè)單元(3)的輸出與運(yùn)算放大器(4)輸入連接、運(yùn)算放大器(4)的輸出與模數(shù)采集單 元(5)的輸入連接、模數(shù)采集單元(5)的輸出和MCU(6)輸入連接，MCU(6)輸出與PC顯示[7]的連接，結(jié)合紅外測(cè)溫技術(shù)和光纖傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)抗電磁干擾、高精度、高重復(fù)性、快速 響應(yīng)、非接觸式的溫度測(cè)量。[0007]本實(shí)用新型所述光學(xué)系統(tǒng)(2)包括耦合透鏡一(21)、傳光束(22)、耦合透鏡二(23)、紅光LED 二極管(24)、濾光片(25)、耦合透鏡三(26)和光電探測(cè)器(27)，紅光瞄準(zhǔn)光 路與紅外光測(cè)量光路同軸。[0008]本實(shí)用新型的測(cè)量光路是待測(cè)物體(I)輻射出的紅外長(zhǎng)波經(jīng)過(guò)前端耦合透鏡一(21)耦合進(jìn)入傳光束(22)，再經(jīng)耦合透鏡二(23)形成平行光通過(guò)濾光片(25)，耦合透鏡(26)將會(huì)聚紅外長(zhǎng)波聚焦到光電探測(cè)器(27)上，經(jīng)光電探測(cè)器(27)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。[0009]本實(shí)用新型的瞄準(zhǔn)光路是由波長(zhǎng)為650nm的紅光LED 二極管(24)發(fā)出平行光，經(jīng) 過(guò)濾光片(25)反射，進(jìn)入耦合透鏡二(23)，聚焦到傳光束(22)，通過(guò)耦合透鏡一(21)指示 到待測(cè)物體(I)。[0010]本實(shí)用新型的測(cè)量光路和耦合光路共用相同的光學(xué)通道，采用測(cè)量光路測(cè)量的溫度信息即為瞄準(zhǔn)光路指示的待測(cè)物體(I)位置的溫度信息。[0011]本實(shí)用新型的耦合透鏡一(21)、耦合透鏡二(23)和耦合透鏡三(26)用于提高光 路耦合效率，可依據(jù)測(cè)溫范圍的不同，采用玻璃、氧化鎂、硅或者鍺材料制作。[0012]本實(shí)用新型的傳光束(22)用于隔離待測(cè)物體(I)與MCU(6)，實(shí)現(xiàn)抗電磁干擾的功 倉(cāng)泛。[0013]本實(shí)用新型的濾光片(23)對(duì)紅外光全透，且對(duì)650nm紅光全反，應(yīng)用中呈45度角 安裝，確保紅外光測(cè)量光路信號(hào)全透，650nm的紅光瞄準(zhǔn)光路信號(hào)全反，使得瞄準(zhǔn)光路和測(cè) 量光路具有相同的光學(xué)通道，紅色瞄準(zhǔn)光路指示位置即為測(cè)量光路的探測(cè)位置。[0014]本實(shí)用新型的運(yùn)算放大器(4)采用TI公司的TLC4502ID運(yùn)放芯片對(duì)光電探測(cè)器(27)輸出信號(hào)進(jìn)行放大。運(yùn)算放大器(4)采用CMOS技術(shù)制造的高性能自校準(zhǔn)雙運(yùn)算放大 器，具有非常高的直流增益和良好的電源抑制比和共模抑制比，可抑制環(huán)境干擾產(chǎn)生的影 響。[0015]本實(shí)用新型的模數(shù)采集單元(5)采用了低噪聲，高精度24位，且具有程控增益的 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，以很少的引腳提供快速、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)還具有采樣保持電路，減 小了系統(tǒng)的測(cè)量誤差。[0016]本實(shí)用新型的模擬輸出接口由4-20mA、0-5V模擬輸出和RS485數(shù)字輸出組成，實(shí) 現(xiàn)與外部系統(tǒng)和設(shè)備的通訊。[0017]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)[0018]I)本實(shí)用新型通過(guò)傳光束(22)傳輸紅外能量，實(shí)現(xiàn)待測(cè)物體(I)與MCU(6)隔離， 使得電子元件受電磁環(huán)境干擾小，有效的提高產(chǎn)品抗電磁干擾能力，特別適合在中高頻感 應(yīng)加熱設(shè)備等強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下使用，性能穩(wěn)定可靠。[0019]2)本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)和測(cè)量同軸，瞄準(zhǔn)光路和測(cè)量光路共用一根傳光束，小目 標(biāo)精確瞄準(zhǔn)測(cè)量，測(cè)溫精度高。[0020]3)本實(shí)用新型耐高溫高達(dá)200°C，可安裝在其它紅外測(cè)溫儀無(wú)法安裝的場(chǎng)合，體 積小巧，適合安裝空間狹窄的場(chǎng)合。[0021]4)本實(shí)用新型采用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，測(cè)量精度高，重復(fù)測(cè)量穩(wěn)定，響應(yīng)速度 快，達(dá)毫秒量級(jí)，可測(cè)量快速移動(dòng)物體的表面溫度。[0022]5)本實(shí)用新型可多種輸出信號(hào)4-20mA、0-5V、RS485、繼電器等，可與各類控制儀 表、記錄儀、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)連接。


[0023]圖1是一體化光纖紅外測(cè)溫裝置組成示意圖[0024]圖2是光學(xué)系統(tǒng)(2)組成示意圖[0025]圖3是運(yùn)算放大器⑷放大電路示意圖[0026]圖4是模數(shù)采集單元(5)與PC通訊示意圖[0027]圖5是模擬輸出接口示意圖具體實(shí)施方式
[0028]本實(shí)用新型包括待測(cè)物體(I)、光學(xué)系統(tǒng)(2)、光電探測(cè)單元(3)、運(yùn)算放大器(4)、模數(shù)采集單元(5)、MCU(6)和PC顯示(7)。其中光學(xué)系統(tǒng)⑵由耦合透鏡一(21)、傳光束(22)、耦合透鏡二(23)、LED光電二極管(24)、濾光片(25)、耦合透鏡三(26)和光電探測(cè)器(27)。[0029]本實(shí)用新型的耦合透鏡一(21)、耦合透鏡二(23)和耦合透鏡三(26)根據(jù)測(cè)溫范 圍的不同選擇不同材料制作；[0030]本實(shí)用新型的濾光片(23)對(duì)紅外光全透，且對(duì)650nm紅光全反，應(yīng)用中呈45度角安裝。[0031]本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)光路和測(cè)量光路同軸的，瞄準(zhǔn)光路和測(cè)量光路共用一 根傳光束測(cè)待測(cè)物體(I)輻射出的紅外長(zhǎng)波經(jīng)過(guò)前端耦合透鏡一(21)耦合進(jìn)入傳光束(22)，再經(jīng)耦合透鏡二(23)形成平行光通過(guò)濾光片(25)，耦合透鏡(26)將會(huì)聚紅外長(zhǎng)波聚 焦到光電探測(cè)器(27)上，經(jīng)光電探測(cè)器(27)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。同時(shí)，瞄準(zhǔn)光路由波長(zhǎng) 為650nm的紅光LED 二極管(24)發(fā)出平行光，經(jīng)過(guò)濾光片(25)反射，進(jìn)入耦合透鏡二(23)， 聚焦到傳光束(22)，通過(guò)耦合透鏡一(21)指示到待測(cè)物體(I)，照亮目標(biāo)的被測(cè)部分，完成 指示功能。[0032]本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)抗電磁環(huán)境干擾的，光學(xué)系統(tǒng)(2)將待測(cè)物體(I)輻射的 信號(hào)傳輸?shù)竭\(yùn)算放大器(4)上，光學(xué)系統(tǒng)(2)本身對(duì)電磁信號(hào)免疫，運(yùn)算放大器(4)采用 CMOS技術(shù)制造的高性能自校準(zhǔn)雙運(yùn)算放大器，具有非常高的直流增益和良好的電源抑制比 和共模抑制比，亦可抑制環(huán)境干擾的影響。[0033]本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量，模數(shù)采集單元(5)用了低噪聲，高精度 24位，具有程控增益的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，提供快速、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)還具有采樣保持 電路。
權(quán)利要求1.一種一體化光纖紅外測(cè)溫裝置，其特征在于該一體化光纖紅外測(cè)溫裝置包括待測(cè)物體(I)、光學(xué)系統(tǒng)(2)、光電探測(cè)單元(3)、運(yùn)算放大器(4)、模數(shù)采集單元(5)、MCU(6)和PC顯示(7)，待測(cè)物體(I)的輸出與光學(xué)系統(tǒng)(2)的輸入連接，光學(xué)系統(tǒng)(2)的輸出與光電探測(cè)單元(3)輸入連接，光電探測(cè)單元(3)的輸出與運(yùn)算放大器(4)輸入連接、運(yùn)算放大器(4)的輸出與模數(shù)采集單元(5)的輸入連接、模數(shù)采集單元(5)的輸出和MCU (6)輸入連接，MCU(6)輸出與PC顯示(7)的連接，結(jié)合紅外測(cè)溫技術(shù)和光纖傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)抗電磁干擾、高精度、高重復(fù)性、快速響應(yīng)、非接觸式的溫度測(cè)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一體化光纖紅外測(cè)溫裝置，其特征在于所述光學(xué)系統(tǒng)(2)由耦合透鏡一(21)、傳光束(22)、耦合透鏡二(23)、紅光LED二極管(24)、濾光片(25)、耦合透鏡三(26)和光電探測(cè)器(27)組成，紅光瞄準(zhǔn)光路與紅外光測(cè)量光路同軸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種一體化光纖紅外測(cè)溫裝置，其特征在于所述耦合透鏡一 (21)、耦合透鏡二(23)和耦合透鏡三(26)采用玻璃、氧化鎂、硅或者鍺材料制作，提高光路耦合效率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種一體化光纖紅外測(cè)溫裝置，其特征在于所述濾光片(25)對(duì)紅外光全透，且對(duì)650nm紅光全反，應(yīng)用中呈45度角安裝。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一體化光纖紅外測(cè)溫裝置，其特征在于所述運(yùn)算放大器(4)采用TI公司的TLC4502ID運(yùn)放芯片進(jìn)行光電探測(cè)器輸出信號(hào)的放大。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一體化光纖紅外測(cè)溫裝置，其特征在于還包括模擬輸出接口，由4-20mA、0-5V模擬輸出或RS485數(shù)字輸出組成，實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)和設(shè)備通訊。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種一體化光纖紅外測(cè)溫裝置，主要包括依次連接的待測(cè)物體(1)、光學(xué)系統(tǒng)(2)、光電探測(cè)單元(3)、運(yùn)算放大器(4)、模數(shù)采集單元(5)、MCU(6)和PC顯示(7)。上述測(cè)量裝置的光學(xué)系統(tǒng)(2)采用瞄準(zhǔn)光路與測(cè)量光路同軸的設(shè)計(jì)，利用傳光束將待測(cè)物體(1)與中央處理單元(7)分離；紅外測(cè)溫裝置的4-20mA或0-5V模擬輸出可與外部系統(tǒng)和設(shè)備通訊；具備抗強(qiáng)電磁干擾、可靠性高、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J5/08GK202836768SQ20112057522
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者楊向輝, 劉蘭書(shū), 張文松 申請(qǐng)人:西安和其光電科技有限公司