藍寶石光纖溫度傳感器系統(tǒng)原理分析

1 前言

　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)高溫測試難題具有明顯地意義。

　　2.理論基礎

　　光纖溫度傳感器系統(tǒng)包括端部摻雜質的高溫藍寶石單晶光纖探頭、Y型石英光纖傳導束、超高亮發(fā)光二極管(LED)及驅動電路、光電探測器、熒光信號處理系統(tǒng)和輻射信號處理系統(tǒng)。如圖1所示。

　　在高溫區(qū)(400℃以上)，光纖溫度傳感器基于光纖被加熱要引起熱輻射的原理工作。熱輻射效應光強調制型光纖溫度傳感器屬于被動式光強調制，它不需要外加光源，而直接由藍寶石光纖制成的黑體腔收集熱輻射，然后通過傳輸光纖送到光電二極管探測并進行數據處理。熱輻射的強度和波長是溫度的函數。采用帶黑體腔的高溫單晶藍寶石(α-Al2O3)光纖(其熔點溫度為2050℃)，當黑體腔與待測溫度區(qū)熱平衡時，黑體腔就按照黑體輻射定理發(fā)射與待測溫度T相對應的電磁輻射，其譜功率密度出射率可以用Plank公式表示為

　　其中ελ為黑體腔的譜發(fā)射率;C1=3.74×108 W·μm4/m2為第一輻射常數;C2=1.44×102μm·K為第二輻射常數;λ為光譜輻射波長;T為黑體輻射溫度。這一功率經高溫光纖直接耦合進入低溫光纖，然后射入光電二極管光敏面?？紤]到光電二極管光敏面的光譜響應為0.4～1.1μm，同時為了使黑體腔的發(fā)射率穩(wěn)定，控制黑體腔的長徑比大于 3，于是黑體腔譜發(fā)射率ελ≈ 1，入射到光電二極管光敏面的黑體總輻射能量為

　　其中n1、n2分別表示高溫光纖與低溫光纖、低溫光纖與光電二極管光敏面之間的功率耦合效率;S、l′、α分別表示高溫光纖截面積、長度、損耗系數。

　　在低溫區(qū)(400℃以下)，輻射信號較弱，系統(tǒng)開啟發(fā)光二極管(LED)，使熒光測試系統(tǒng)工作，發(fā)光二極管發(fā)射調制的激勵光，經聚光鏡耦合到Y型光纖的分支端，由Y型光纖并通過光纖耦合器到藍寶石光纖探頭。光纖探頭端部受激勵光激勵而發(fā)射熒光，信號由藍寶石光纖導出，并通過光纖耦合器從Y型光纖的另一分支端射出，由光電探測器接受。光電探測器輸出的光信號經放大后由熒光信號處理系統(tǒng)處理，計算出熒光壽命得到所測溫度值。

　　3.信號處理

　　光電二極管感應的光輻射信號經過光電轉換、信號放大、線性化處理、A/D轉換、微機處理后給出待測溫度。為了實現多點測量，加入多路開關，通過微機控制，選擇所測點。如圖2所示。

　　由于光纖給出的輸出光強是非線性的指數信號，這種非線性關系，在溫度數字化測量中，加進線性化裝置進行線性補償。這里選用模擬線性化，采用折線逼近方案，即用連續(xù)有限折線代替曲線的直線化方式。其特點是技術簡單，精度取決于折線段的多少。

　　4 測試方法

　　4.1熔煉過程中的探頭設置

　　在熔煉過程中，金屬液體始終處于流動狀態(tài);可以認為在這個溫度場中，金屬液體各處的溫度基本一致。將探頭放置于溶液表面下10cm左右處，通過熱輻射測出溶液溫度。

　　4.2在熱處理加熱爐系統(tǒng)中的探頭設置

　　在加熱爐中，被處理的工件與爐壁進行熱交換。輻射換熱量表示為

　　ε1、ε2分別為工件和爐壁的黑度，φ21為角系數。當熱平衡時候，T1=T2，Q12=0。兩者之間沒有了熱交換，這時候就可以測出工件的溫度。將探頭安置于爐壁，外接光纖測出工件的加熱溫度。

　　4.3凝固過程中的溫度測量

　　鑄件在凝固過程中，它的內溫度場為不穩(wěn)定溫度場。在鑄件截面上某一點，不同時刻，溫度是不同的;在同一瞬間，鑄件截面上各點的溫度也不同。其溫度場是坐標(x，y，z)和時間t的函數

　　T=(x，y，z，t)

　　為了測出鑄件在凝固過程的溫度場，研究溫度場和等溫面的變化，進一步進行仿真模擬，提高產品質量和成品率，有必要對凝固過程進行多點測量。光纖溫度傳感器能夠快速響應溫度變化，測量精度高，可以準確的反映溫度場的情況。在測量中，將探頭安置于所測點，通過微機來觀察和描繪溫度場。

　　4.4光纖連接

　　為了使光通道的可拆性成為可能，便于多點測量，為測試提供便利的測試接口，同時盡可能的降低連接過程中的光損耗，在光纖接口處采用可以拔插的光纖連接器，實現從光源到光纖、光纖到光纖以及光纖到探測器之間的光耦合。考慮到在熱加工環(huán)境下使用，光纖連接器必須可靠、堅固耐用、可維修、插入損耗小等因素，采用SC型單芯光纖連接器。這種連接器的法蘭盤中有卡簧，接口是矩形結構，在插入中很容易對準，適宜于高密度安裝，提高了操作性、損耗的穩(wěn)定性以及封裝密度。在連接中還可以采用小型封裝連接器SFF，使在較小的空間內使用成為可能。

　　5 結論

　　在熔煉爐的加熱過程中，用鉑銠熱電偶和光纖高溫探頭對同一個溫區(qū)進行測試;在整個溫度區(qū)域的測試過程中，對比測試結果，光纖高溫探頭與鉑銠熱電偶測試結果基本相符。光纖高溫傳感器的使用壽命長，重復性好，性能價格比高，完全可以在生產中替代鉑銠熱電偶，目前已經部分應用于生產過程中。