藍寶石光纖瞬態(tài)高溫傳感器技術(shù)研究

一、引言

在工程實際應(yīng)用中，有許多場合需對超過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。盡管目前已有許多高溫研究成果，但對于像火藥燃燒時的溫度、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(yīng)率較慢的熱電偶得到，并且所測結(jié)果是否能準確反映客觀對象的真實情況也是一個棘手的問題。

六、七十年代，輻射測溫技術(shù)有了飛速的發(fā)展，該技術(shù)具有能測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)溫度的測量。國內(nèi)外許多研究機構(gòu)對此進行了研究，并開發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品。美國Vanzette公司首先生產(chǎn)了帶光導(dǎo)纖維探頭的輻射溫度計。 R.R.Dils 的專利U.S.Patent #4、750、139介紹了一種用藍寶石光導(dǎo)棒溫度傳感器測量高溫的方法。盡管已經(jīng)有了商業(yè)化產(chǎn)品，但大部分傳感器測溫范圍低，響應(yīng)速度慢，遠不能滿足瞬態(tài)溫度測量的要求，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(jié)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(yīng)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(gòu)建了高溫測試系統(tǒng)，并測試了運動乙炔焰的溫度。該結(jié)果對解決目前諸多工程實際應(yīng)用中瞬態(tài)高溫測試難題具有明顯地意義。

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(jié)構(gòu)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距離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提高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(yīng)范圍0.5mm～1.1mm;暗電流小于400mV;響應(yīng)度大于2500mV/mV;脈沖相應(yīng)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

式中，a—腔口黑體腔的面積;

λ—輻射光波長;

T—絕對溫度;

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(shè)干涉濾光片的光譜響應(yīng)函數(shù)為f(λ)，光電探測器(Si PIN管)的光譜響應(yīng)函數(shù)為D(λ)，考慮到更一般的情況設(shè)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)光纖傳入硅光探測器后輸出的電壓為：

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入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(shè)：η(λ)=η(λ0)，f(λ)=f(λ0)，D(λ)=D(λ0)，并代入式(2)可得光電探測器的電壓輸出為：

令

則有：

式中，R(T)—傳感器的輻射通量。

則(3)變?yōu)椋?/p>

根據(jù)公式(1)和(5)，可以得出公式(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(guān)的常數(shù)，因此只需在單一溫度點下標定即可?？山?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(yīng)的R′(T)值作為一個表格，系統(tǒng)檢測到的輻射光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柡螅ㄟ^查表，就可以得到相應(yīng)的溫度。

設(shè)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(yīng)的輻射通量R′(T)：

四、實驗過程及結(jié)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(shè)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(yīng)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距離非常重要，因為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(jié)論

在工業(yè)諸多的瞬態(tài)高溫環(huán)境中，即使測量溫度范圍較高的鎢錸熱電偶也容易氧化變脆，導(dǎo)致機械強度降低，再加上對響應(yīng)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(yīng)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(jié)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(jié)果有以下特點：采集方法簡單，成本低;測試溫度范圍高，可達2000℃;響應(yīng)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(fù)雜的瞬態(tài)高溫，只要解決了傳感器的防沖擊、振動等問題，是完全可以適用的。因此，它有很好的推廣價值。