藍寶石光纖瞬態(tài)高溫傳感器技術研究

藍寶石光纖瞬態(tài)高溫傳感器技術研究 

一、引言
　　在工程實際應用中，有很多場合需對超過1000℃的高溫進行測試，而且某些環(huán)境中還伴有強沖擊的瞬態(tài)變化過程。盡管目前已有很多高溫研究成果，但對于像炸藥燃燒時的溫度、各種發(fā)動機汽缸的溫度等變化的高溫數(shù)據(jù)很難通過傳統(tǒng)的熱響應率較慢的熱電偶得到，并且所測結果是否能正確反映客觀對象的真實情況也是一個棘手的題目。 容表 | 頻譜分析儀 | 光功率計 | 溫度表 | GPS | 電導計 | 聲級計 | 真空表 | 尖嘴鉗 | 采樣儀 | 斜嘴鉗 | 紅外線測溫儀 | VOC檢測儀 | 一氧化碳檢測器 | 六角扳手 | 電能質量分析儀 | 發(fā)生器
    六、七十年代，輻射測溫技術有了飛速的發(fā)展，該技術具有能丈量運動物體和不破壞被測對象的溫度場等特點，可用于瞬態(tài)溫度的丈量。國內(nèi)外很多研究機構對此進行了研究，并開發(fā)了相應的產(chǎn)品。美國Vanzette公司首先生產(chǎn)了帶光導纖維探頭的輻射溫度計。 R.R.Dils 的專利U.S.Patent #4、750、139先容了一種用藍寶石光導棒溫度傳感器丈量高溫的方法。盡管已經(jīng)有了貿(mào)易化產(chǎn)品，但大部分傳感器測溫范圍低，響應速度慢，遠不能滿足瞬態(tài)溫度丈量的要求，而且價格昂貴。
    在國內(nèi)，清華大學、浙江大學及西安電子科技大學等高校也開展了光纖高溫傳感器方面的研究。清華大學周炳琨等人于1989年1月申請了光纖黑體腔溫度傳感器專利。863計劃項目之一，浙江大學物理系沈永行等人所研制的藍寶石黑體腔光纖傳感器，采用高發(fā)射率的陶瓷高溫燒結制成的微型光纖感溫腔，具有良好的長期穩(wěn)定性和較高的測試精度；其靜態(tài)測溫范圍為500℃～1800℃，測溫精度優(yōu)于±0.2%，已開始少量應用，并正在進一步推廣之中。但總的來說，國內(nèi)的工作多集中在靜態(tài)高溫測試中，動態(tài)測試研究較少。 
    基于Plank黑體輻射定律，我們以鍍有高溫陶瓷的藍寶石光纖為黑體高溫傳感器構建了高溫測試系統(tǒng)，并測試了運動乙炔焰的溫度。該結果對解決目前諸多工程實際應用中瞬態(tài)高溫測試困難具有明顯地意義。

二、系統(tǒng)原理
    該系統(tǒng)由藍寶石黑體溫度傳感器、ST連接器、錐形石英光纖、耦合器、濾光片、光纖和光電探測器組成，其結構見圖1。它的工作原理如下：當藍寶石黑體溫度傳感器靠近某高溫輻射源時，熱容很小的黑體溫度傳感器迅速達到熱平衡，由黑體輻射理論可知，其開始向藍寶石光纖輻射熱信號。熱量輻射信號經(jīng)過錐形光纖和普通光纖長間隔傳輸后接到光電探測器。藍寶石黑體溫度傳感器與錐形光纖通過ST連接器相連，而帶通濾光片的耦合器則將錐形光纖同普通石英光纖連接并進行濾光。這里，采用錐形光纖的目的是為了進步藍寶石黑體溫度傳感器輸出信號的傳輸效率。我們選用帶有尾纖和ST接頭的硅混合集成FET-PIN光電接收器件作為光電探測器，該探測器的連接電路原理圖和相對光譜靈敏度曲線如圖2所示，性能指標如下：光譜響應范圍0.5mm～1.1mm；暗電流小于400mV；響應度大于2500mV/mV；脈沖相應時間小于3.5ms；高可靠性ST接頭，牢固的同軸封裝。光電探測器的輸出信號可接示波器或數(shù)據(jù)采集裝置。

三、理論分析和仿真
    根據(jù) Plank黑體輻射定律，光纖黑體腔置于溫度為T的區(qū)域時，其單色輻射通量為
         (1)                   
    式中，a—腔口黑體腔的面積； 
     λ—輻射光波長；
     T—盡對溫度；
    c1=3.74183×10-16 （W·m2）—第一輻射常數(shù)；
    c2=1.43879×10-2（mK）—第二輻射常數(shù)。
    設干涉濾光片的光譜響應函數(shù)為f（λ），光電探測器（Si PIN管）的光譜響應函數(shù)為D（λ），考慮到更一般的情況設傳感頭的單色發(fā)射率為εA（λ），干涉濾光片的中心波長為λ0，帶寬為Δλ，輻射光信號經(jīng)光纖傳進硅光探測器后輸出的電壓為：
   (2)
    式中，η（λ）—光信號傳輸過程中光纖（包括藍寶石光纖和傳光光纖）的傳輸損耗，包括光纖耦合器和其它光學元件的插進損耗引起的輻射能損失，顯然η（λ）＜1。

    當干涉濾光片的帶寬很窄時，我們可以假設：η（λ）=η(λ0)，f（λ）=f(λ0)，D（λ）=D(λ0)，并代進式（2）可得光電探測器的電壓輸出為：
        (3) 
    令              (4)
則有：
               (5)
    式中，R(T)—傳感器的輻射通量。
    則(3)變?yōu)椋?
        (6) 
根據(jù)公式(1)和(5)，可以得出公式(7)：
        (7)
    式中，R′(T) —傳感器考慮了感光面積的輻射通量。
    從(4)式可知K是一個與溫度無關的常數(shù)，因此只需在單一溫度點下標定即可。可經(jīng)過計算機數(shù)值積分計算后得到，我們把各個溫度T對應的R′(T)值作為一個表格，系統(tǒng)檢測到的輻射光信號轉變?yōu)殡妷盒盘柡�，通過查表，就可以得到相應的溫度。
    設干涉濾光片中心波長λ0=820nm，帶寬Δλ=10nm，當T分別取1000K， 1200K， 1400K，1600K，1800K，2000K，2200K時，對式（7）進行數(shù)值積分，所得R(T)/a—T曲線如圖3所示，該圖表示了不同溫度T對應的輻射通量R′(T)：

四、實驗過程及結果
    資料顯示，乙炔焰的焰心溫度可達4000℃以上，因此在實驗中我們以此為高溫熱源對所設計的系統(tǒng)進行了測試。實驗裝置比較簡單，首先將藍寶石黑體溫度傳感器固定金屬支架上，點燃乙炔并調(diào)節(jié)乙炔氣體和氧氣的比例后，手持乙炔槍迅速掃過藍寶石黑體溫度傳感器，所測數(shù)據(jù)如圖4所示。數(shù)字示波器采用PHILIPSPM9080記憶存儲示波器，該示波器功能齊全，掃描速度范圍寬，可從10s/div到1ns/div。從圖4  中可以得知，所測溫度達1960℃，響應時間小于120ms。實驗中，調(diào)節(jié)燃燒乙炔氣體和氧氣的比例及火焰與傳感器的間隔非常重要，由于焰心的溫度遠遠超過2000℃，極易在實驗中燒壞溫度傳感器。

五、特點及結論
    在產(chǎn)業(yè)諸多的瞬態(tài)高溫環(huán)境中，即使丈量溫度范圍較高的鎢錸熱電偶也輕易氧化變脆，導致機械強度降低，再加上對響應特性的要求傳統(tǒng)元件往往難以勝任，因此迫切需要能適應瞬態(tài)變化過程的高溫測試系統(tǒng)。我們采用藍寶石高溫光纖為傳感器對瞬態(tài)乙炔焰進行了測試，測試結果信噪比非常好，表明其完全可以進行瞬態(tài)高溫測試。
    本試驗的結果有以下特點：采集方法簡單，本錢低；測試溫度范圍高，可達2000℃；響應時間小于120ms，可對各種瞬態(tài)變化過程進行測試。對于更為復雜的瞬態(tài)高溫，只要解決了傳感器的防沖擊、振動等題目，是完全可以適用的。因此，它有很好的推廣價值。