瞬态超高温场比色测温传感器光电转换电路的设计与调试

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1、.目录1、绪论11.1本课题研究的背景、目的及意义11.2瞬态高温测量基本方法21.2.1接触式测温方法31.2.2非接触式测温方法51.3瞬态高温测试国内外发展现状61.4本课题研究的内容82、比色测温系统结构及原理简介92.1系统结构概述92.2比色测温基本原理102.3系统测温原理112.4比色测温的优点122.5本章小结133、光电转换电路的设计143.1相关元器件简介143.1.1PIN光电二极管143.1.2四象限探测器143.1.3运算放大器153.1.4窄带滤光片163.2电路设计163.2.1二维象限探测器的设计163.2.2放大及滤波电路的设计17...3.3电路的仿真18

2、3.3.1电路静态特性的仿真183.3.2动态特性的仿真203.4本章小结224、实验测试及数据处理234.1实验方案及用到的仪器234.1.1中温黑体炉工作原理234.1.2数据采集卡264.2实验数据及结果分析274.3本章小结295、结论30参考文献31致谢33...1、绪论1.1本课题研究的背景、目的及意义温度作为国际七个基本物理量之一，在工农业生产和科学试验中占据非常重要的地位，需要经常检测与控制。据估计，全球每年在温度传感器和相关设备的经费开支达几亿美元，单从这一点也可以看出温度测量的重要性。在很多领域，温度直接决定着仪器性能的发挥和科学试验的成败[1]。随着科技的发展，有越来越多

3、的研究对象需要对随时间快速变化的瞬态温度进行测量。在武器的研制和生产领域，瞬态超高温场测试是温压弹爆炸过程及毁伤效能研究必不可少的手段。温压弹、云爆弹等新型弹药都是通过药剂和空气混合生成能够爆炸的云雾，引爆后会发生剧烈燃烧，将空气中的氧气燃烧掉，造成爆点区暂时缺氧，并大量向四周辐射热量，同时产生高压冲击波，主要利用温度和压力效应产生杀伤效果[2,3]。在新型镁材料制备领域，镁及镁合金燃点的测量也是到关重要的。由于镁元素的化学性质比较活泼，在高温、剧烈摩擦的时候容易与空气中的氧气发生剧烈燃烧。阻燃镁合金技术可以很好地解决这个问题，而燃点温度是这个技术研究过程中的重要参数，因此需要对镁的燃点进行准

4、确地测量[4,5]。在接触式测温过程中，温度的测量都是以热平衡现象为基础的。在瞬态温度测量中，温度随时间迅速变化，由于测温传感器感温件的热惯性和有限热传导，测出的温度与实际温度存在差别。此外，接触式测温会对被测温度场造成干扰[6]。普朗克定律揭示了黑体辐射与温度之间存在着定量数学关系，由此建立了关于温度的非接触式辐射测量的基本原理。然而，对于实际物体测量而言，发射率函数与温度场测量所引发的标定问题仍然是辐射测温理论与技术研究的关键点，由此产生出许多辐射测温方法[7]。20世纪80年代比色测温技术开始兴起，该技术利用双色信号比较的方法很好地消除了发射率及环境的影响，有效地提高了测温精度，在工业生

5、产、科学研究等方面有着广泛的应用[8,9]。在应用辐射测温技术进行温压弹、云爆弹等新型弹药爆炸温度场测试时，被测量目标为高速流动的燃料、空气及爆轰产物的气、固、液多相混合物，其组成成分及发射率随时间迅速变化，采用单色辐射测温法和全辐射测温法会给测温精度带来很大的误差[10-12]。在应用接触式测量镁燃点温度时，材料表面的温度可以达到2000℃，...测温元件容易受到高温的侵蚀。应用比色测温技术能够较好地减少目标发射率、以及高温高压等极端条件对测温精度的影响，从而得到被测目标的温度。在这种背景需求之下，为了满足瞬态高温测试技术的需要，利用比色测温方法进行温度测试，设计比色测温传感器的光电转换电路

6、。重点进行了滤光片工艺的选择，设计光电放大电路并进行仿真，对装置进行静态标定。1.2瞬态高温测量基本方法在很多领域，特别是在航天、能源、冶金等领域中,瞬态高温的测量占据极其重要的地位。快速、准确地对瞬态超高温场进行测量和控制，对于获得正确的科研数据、保证科学试验的正常进行、保证产品的质量都是十分关键的。目前，温度测量的方法主要分类方法有两种，从测量时传感器是否与被测对象接触分为接触式测温法与非接触式测温法；从测量时是否有电信号可以划分为电测量法和非电测量法。而每种测量方法中温度测量仪器又有许多种类，如膨胀式温度计、金属热电偶温度计、热电阻温度计、热敏电阻温度计、光学温度计、红外温度计等[13]

7、。如图1.1所示。温度测量方法接触式测温非接触式测温玻璃液体温度计压强表式温度计气体温度计热电偶温度计光纤温度计电阻温度计热释电温度计全辐射测温计辐亮度测温计比色测温计非电量测温法电测量温度法图1.1测温方法分类...1.2.1接触式测温方法接触式测温法的理论基础是相互达到热平衡的物质具有相同的温度。基于这一原理的感温元件工作时直接放置到被测温度场中或与被测物体直接接触，在传感器与被测物达到热平衡