摘 要：非接触式光纤传感测温仪在实际的使用过程中，因高温、环境等因素，不能靠近被测物过近，在测温时，需要使红外光先行瞄准，而先前双光纤设计存在通信线路长，信号延迟、仪器体积过大等不足。本文根据实际应用中的需要，设计一种新型已公开的光通信设备，应用到实际产品中，具体涉及一种光学分光模块，包括模块主体，所述的模块主体内设有相互连通光纤FC接口、红外探测器固定孔、激光器固定孔和分光片固定孔等；目的是提供一种能有效解决红外测温仪瞄准精确且生产简单、装配方便、生产成本不高的光学分光模块，应用到红外光纤传感测温仪中。
关键词：非接触；红外测温仪；光学分光模块
0 引言
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化、化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务，要实现准确的温度控制就必须有精度相对较高的测温仪。就测温仪形式来说，可归纳为接触式测温和非接触式测温两种。不同的被测目标必须采用不同的测温形式。在特定的领域中，非接触式测温有着接触式不可比拟的优越性，例如在有色冶炼、粉末冶金、中高频感应加热、铸造、焊接、锻造、热处理等领域。目前市场上应用较多的非接触式测温工具是红外测温仪。
非接触式红外测温仪是一种结合非接触式测温方法和光纤传感技术，实现高精度、高重复性、快速响应测温仪。现已广泛被应用在各种工业测温中。因其使用的是双光纤传输红外光信号，有着光路不同路，测量点和瞄准点不在一条光线上，光纤使用过程中容易折断等不足。针非接触式红外测温仪的这一缺点，结合实际应用要求，对使用双光纤传输的非接触式红外测温仪进行技术改造，将原来的双光纤传输改为用单光纤连接分光模块的信号传输形式，其核心为光学分光模块的设计，对产品重新作机械设计，用黑体炉标定采集出相应的电压信号值，得到一个新的产品，以该产品向知识产权局申请专利。以下是该产品各部份设计详细介绍。
1 光学分光模块的设计
非接触式红外光纤传感测温仪采用光纤探头与电子处理单元分离的结构，探测热源辐射的红外光密度，红外光经透镜会聚于光纤接头，通过光纤传导进入光电转换单元，输出的电信号经放大、线性化处理后，得到与被测温度信号成线性关系的电压（或电流）信号，将该信号接入智能数字显示表，即可显示对应的温度值。可设定报警温度区间以控制所需要的生产温度； 也可将测温仪的输出信号通过RS-232串口通信接入计算机，通过设定工艺曲线，进行多点多量程的温度控制。该光纤传感测温仪的原理框图如下：
图一光纤测温仪原理框图
传导光纤使用的是双光纤，接红外探测器的这根光纤将光信号传输到光电转换器，然后通过电路作相应的信号处理。另一根光纤传输激光，对测量温度没有影响，激光器发出的650nm红光通过光纤传输到透镜的焦点上，经透镜聚焦后瞄准到被测温点。但这样的描准方式因两根光纤之间存在一定的位移差，使得测量点和瞄准点不在一条光路上，从而产生很大的误差。为了解决这个问题，可使用当前光通信行业的双向传输模块，但其生产需要具备很高的技术装备，如激光焊接机和光功率机等，同时在生产的过程中要求很高的生产工艺，价格昂贵，难以推广。因此，设计一个光学分光模块，使用单光纤传输，解决双光纤传输存在的问题。同时更便于产品的生产，广泛的应用到工业测温中，我们选择后一种方法，具体设计如下：
1.1 光学分光模块设计的技术方案
非接触式红外测温分光模块作为一种实用新型产品设计，采用的技术方案是 ：一种光学分光模块，包括模块主体，模块主体内设有相互连通的光纤 FC 接口、红外探测器固定孔、激光器固定孔和分光片固定孔，所述光纤 FC 接口和激光器固定孔同轴向设置，所述红外探测器固定孔垂直于光纤FC 接口和激光器固定孔的轴线，且设置于光纤 FC 接口和激光器固定孔之间，所述分光片固定孔贯穿于模块主体上且与红外探测器固定孔和激光器固定孔均呈 45 度角设置。该设计取得有益技术效果：红光的传出和红外光的传入都是通过同一光纤 FC 接头同时传输，因此可以有效的确保红光的瞄准点和瞄准点发出的红外光在同一条光线上，可以确保瞄准准确无误。
激光器固定孔可连接 650nm 或者 635nm 激光器。激光器通电后发出红光，红光透过分光片后照射到光纤 FC 的光纤端面上，红光耦合到光纤上，在光纤里传输，从光纤的另一个端面发射出来，经过透镜聚焦后耦合到照射到被测物体上。被测物体发出的红外光，经过透镜聚焦后耦合到光纤的端面上，通过光纤的传输从光纤的另一个端面发射出来，经过分光片后反射到红外探测器上面，红外探测器接收到红光后进行光电转换变为相应的电信号，电信号再经过放大、数模转换、信号处理、标准信号输出，最终将温度信号显示出来。
1.2 非接触式红外测温仪光学分光模块的光学原理及实物结构
1）分光片光路原理图如图二所示：非接触式红外测温仪采集发热体发出的红外光，经光路1入射到光学分光片上，经光路2传输到光电转换器，再转换为电信号，再由电路对信号加以处理。激光器发出的红光经光路3透射后传输到光纤端面上，再通过光纤传输出去，根据光的可逆性原理，该红光经光路1回到透镜焦点，再照射到被测物测温点。
图二分光片的光路图 图三光学分光模块侧面剖视图
2）光学分光模块的结构（见图三），光学分光模块的侧面剖视图，其特征在于 ：模块主体内设有相互连通的光纤FC 接口，（1）红外探测器固定孔，（2）激光器固定孔，（3）和分光片固定孔，（4）所述光纤 FC 接口，（1）和激光器固定孔，（3）同轴向设置，所述红外探测器固定孔，（2）垂直于光纤 FC 接口，（1）和激光器固定孔，（3）的轴线，且设置于光纤 FC 接口，（1）和激光器固定孔，（3）之间，所述分光片固定孔，（4）贯穿于模块主体上且与红外探测器固定孔，（2）和激光器固定孔，（3）均呈 45 度角设置。光纤 FC 接口，（1）为螺旋接口。激光器固定孔，（3）与光纤 FC接口，（1）根部上设有缩口段。
3采用光学分光模块设计的非接触式红外测温仪定标：
通过黑体炉温度对该测温仪的信号进行采集定标，采集的温度范围为300-1000℃，对应的电压信号值如下（见表一）。并以此数据作出该电压信号的拟合曲线图（见图四）。
表一 根据黑体炉温度标度输入端电压
黑体炉温度（单位：℃）1000900800700600500400300
AD输入端的电压信号数据4.000V1.890v840mv326mv105mv27.4mv7.5mv4.2m v
通过对表一和图四的观察我们可以发现，光电转换器转化出来的电信号经过电路放大后得到的信号是一条曲线，而根据国际标准，为了便于信号的显示，通常需要输出的是标准的线性信号，比如0-5V电压信号或者4-20mA电流信号，此时的数据经过拟合成的直线与实际曲线的偏差较大，误差为满量程的5%左右。为了提高测量精度，可以通过对曲线进行分段拟合和数字信号算法处理，形成分段函数，经过处理后的曲线，此时与标准的线性直线更接近，而误差也会大大的降低，可以达到1%以内，完全可以达到大部分的工业测温精度要求。
4结束语
非接触式红外测温仪中实用新型光学分光模块的设计，申请专利，让我们拥有一款造价便宜，生产工序简单，测量精度相对较高的工业红外测温产品，拥有自主知识产权。在红外测温广阔的市场里，可取得一定市场份额，产生一定经济效益。
参考文献：
[1] 唐岳湘，赵修良.红外线人体测温仪电路的设计[J].测试与测量 ，2007（11）：9—11.
[2] 王中训，于澎.红外测温仪的设计[J].煤矿机械，2006（02）：15—17.
[3] 周书铨.红外辐射测量基础[M].上海：上海交通大学出版社 ，1991：1—12.
[4]袁国良.光纤通信原理[M].北京：清华大学出版社，2006.
[5]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006.