蓝宝石光纤瞬态高温传感器技术研究

一、引言

在工程实际应用中，有许多场合需对超过1000℃的高温进行测试，而且某些环境中还伴有强冲击的瞬态变化过程。尽管目前已有许多高温研究成果，但对于像火药燃烧时的温度、各种发动机汽缸的温度等变化的高温数据很难通过传统的热响应率较慢的热电偶得到，并且所测结果是否能准确反映客观对象的真实情况也是一个棘手的问题。

六、七十年代，辐射测温技术有了飞速的发展，该技术具有能测量运动物体和不破坏被测对象的温度场等特点，可用于瞬态温度的测量。国内外许多研究机构对此进行了研究，并开发了相应的产品。美国Vanzette公司首先生产了带光导纤维探头的辐射温度计。 R.R.Dils 的专利U.S.Patent #4、750、139介绍了一种用蓝宝石光导棒温度传感器测量高温的方法。尽管已经有了商业化产品，但大部分传感器测温范围低，响应速度慢，远不能满足瞬态温度测量的要求，而且价格昂贵。

在国内，清华大学、浙江大学及西安电子科技大学等高校也开展了光纤高温传感器方面的研究。清华大学周炳琨等人于1989年1月申请了光纤黑体腔温度传感器专利。863计划项目之一，浙江大学物理系沈永行等人所研制的蓝宝石黑体腔光纤传感器，采用高发射率的陶瓷高温烧结制成的微型光纤感温腔，具有良好的长期稳定性和较高的测试精度;其静态测温范围为500℃～1800℃，测温精度优于±0.2%，已开始少量应用，并正在进一步推广之中。但总的来说，国内的工作多集中在静态高温测试中，动态测试研究较少。

基于Plank黑体辐射定律，我们以镀有高温陶瓷的蓝宝石光纤为黑体高温传感器构建了高温测试系统，并测试了运动乙炔焰的温度。该结果对解决目前诸多工程实际应用中瞬态高温测试难题具有明显地意义。

二、系统原理

 

该系统由蓝宝石黑体温度传感器、ST连接器、锥形石英光纤、耦合器、滤光片、光纤和光电探测器组成，其结构见图1。它的工作原理如下：当蓝宝石黑体温度传感器靠近某高温辐射源时，热容很小的黑体温度传感器迅速达到热平衡，由黑体辐射理论可知，其开始向蓝宝石光纤辐射热信号。热量辐射信号经过锥形光纤和普通光纤长距离传输后接到光电探测器。蓝宝石黑体温度传感器与锥形光纤通过ST连接器相连，而带通滤光片的耦合器则将锥形光纤同普通石英光纤连接并进行滤光。这里，采用锥形光纤的目的是为了提高蓝宝石黑体温度传感器输出信号的传输效率。我们选用带有尾纤和ST接头的硅混合集成FET-PIN光电接收器件作为光电探测器，该探测器的连接电路原理图和相对光谱灵敏度曲线如图2所示，

性能指标如下：光谱响应范围0.5mm～1.1mm;暗电流小于400mV;响应度大于2500mV/mV;脉冲相应时间小于3.5ms;高可靠性ST接头，牢固的同轴封装。光电探测器的输出信号可接示波器或数据采集装置。

 

三、理论分析和仿真

根据 Plank黑体辐射定律，光纤黑体腔置于温度为T的区域时，其单色辐射通量为

 

    (1)

 

式中，a—腔口黑体腔的面积;

λ—辐射光波长;

T—绝对温度;

c1=3.74183×10-16 (W·m2)—第一辐射常数;

c2=1.43879×10-2(mK)—第二辐射常数。

设干涉滤光片的光谱响应函数为f(λ)，光电探测器(Si PIN管)的光谱响应函数为D(λ)，考虑到更一般的情况设传感头的单色发射率为εA(λ)，干涉滤光片的中心波长为λ0，带宽为Δλ，辐射光信号经光纤传入硅光探测器后输出的电压为：

 

    (2)

 

式中，η(λ)—光信号传输过程中光纤(包括蓝宝石光纤和传光光纤)的传输损耗，包括光纤耦合器和其它光学元件的插入损耗引起的辐射能损失，显然η(λ)<1。

当干涉滤光片的带宽很窄时，我们可以假设：η(λ)=η(λ0)，f(λ)=f(λ0)，D(λ)=D(λ0)，并代入式(2)可得光电探测器的电压输出为：

 

   (3)

 

令

   (4)

 

则有：

 

     (5)

 

式中，R(T)—传感器的辐射通量。

则(3)变为：

 

    (6)

 

根据公式(1)和(5)，可以得出公式(7)：

 

    (7)

 

式中，R′(T) —传感器考虑了感光面积的辐射通量。

 

从(4)式可知K是一个与温度无关的常数，因此只需在单一温度点下标定即可。可经过计算机数值积分计算后得到，我们把各个温度T对应的R′(T)值作为一个表格，系统检测到的辐射光信号转变为电压信号后，通过查表，就可以得到相应的温度。

 

设干涉滤光片中心波长λ0=820nm，带宽Δλ=10nm，当T分别取1000K， 1200K， 1400K，1600K，1800K，2000K，2200K时，对式(7)进行数值积分，所得R(T)/a—T曲线如图3所示，该图表示了不同温度T对应的辐射通量R′(T)：

四、实验过程及结果

 

资料显示，乙炔焰的焰心温度可达4000℃以上，因此在实验中我们以此为高温热源对所设计的系统进行了测试。实验装置比较简单，首先将蓝宝石黑体温度传感器固定金属支架上，点燃乙炔并调节乙炔气体和氧气的比例后，手持乙炔枪迅速扫过蓝宝石黑体温度传感器，所测数据如图4所示。数字示波器采用PHILIPSPM9080记忆存储示波器，该示波器功能齐全，扫描速度范围宽，可从10s/div到1ns/div。从图4 中可以得知，所测温度达1960℃，响应时间小于120ms。实验中，调节燃烧乙炔气体和氧气的比例及火焰与传感器的距离非常重要，因为焰心的温度远远超过2000℃，极易在实验中烧坏温度传感器。

 

五、特点及结论

在工业诸多的瞬态高温环境中，即使测量温度范围较高的钨铼热电偶也容易氧化变脆，导致机械强度降低，再加上对响应特性的要求传统元件往往难以胜任，因此迫切需要能适应瞬态变化过程的高温测试系统。我们采用蓝宝石高温光纤为传感器对瞬态乙炔焰进行了测试，测试结果信噪比非常好，表明其完全可以进行瞬态高温测试。

本试验的结果有以下特点：采集方法简单，成本低;测试温度范围高，可达2000℃;响应时间小于120ms，可对各种瞬态变化过程进行测试。对于更为复杂的瞬态高温，只要解决了传感器的防冲击、振动等问题，是完全可以适用的。因此，它有很好的推广价值。