具有無線通信功能的光纖黑體腔高溫傳感器設(shè)計

 1 引言

溫度作為一種重要的熱工參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中很多場合要求實現(xiàn)實時自動監(jiān)測和控制溫度，而高溫的準(zhǔn)確及快速測量在冶金、化工、能源、建材等工業(yè)領(lǐng)域中有著十分重要的意義。目前主要有接觸式的熱電偶測溫和非接觸式的輻射測溫兩種方式。雖然接觸式測溫能夠比較準(zhǔn)確的測出被測溫度場的真實溫度，但接觸式測溫在測量時必須與被測溫度場接觸，這樣破壞了被測溫度場，使測出的溫度與真實溫度有一定的誤差。非接觸式測溫克服了上述的誤差，但非接觸式測溫由于受到測溫距離、物體發(fā)射率等影響，其測出的溫度也不準(zhǔn)確。與傳統(tǒng)的熱電偶溫度計和輻射式溫度計相比，光纖黑體腔高溫計能應(yīng)用于任何場所，不受空間和環(huán)境限制，不僅延長了使用壽命，提高了接觸法測溫的測量上限，而且避免了輻射式測溫的較大誤差，提高了測量精席。

2 傳感器工作原理

傳統(tǒng)的高溫測量一般采用光纖輻射式溫度測量系統(tǒng)，針對傳統(tǒng)輻射式溫度測量系統(tǒng)測溫精確度低，易腐蝕，壽命短等不足，采用黑體腔結(jié)合光纖輻射式測溫系統(tǒng)組成的接觸式高溫測試系統(tǒng)以普朗克黑體輻射理論為基礎(chǔ)，利用黑體腔接觸溫度源，應(yīng)用光纖輻射溫度測量系統(tǒng)對黑體腔輻射進行測量，以此實現(xiàn)溫度源的測量。

首先在藍寶石單晶光纖的一端鍍制一層陶瓷薄膜，然后再套上耐高溫的不銹鋼外殼，形成黑體腔探頭。將黑體腔探頭放入被測溫度場中，黑體腔外表面吸收來自被測物體發(fā)出的熱輻射信號，與此同時黑體腔內(nèi)表面發(fā)出熱輻射信號，這種熱輻射信號通過光纖耦合器并經(jīng)光纖傳輸后通過干涉濾光片。再由固態(tài)光電倍增管SSPM(Solid-state Photomult iplier)接收，最后通過相關(guān)信號處理電路后輸出結(jié)果。傳感器的工作原理如圖1所示。

3 光纖黑體腔的構(gòu)成

黑體腔探頭的設(shè)計是藍寶石光纖高溫傳感器研制的關(guān)鍵，為了得到最優(yōu)化黑體腔傳感器探頭，必須對影響黑體腔有效發(fā)射率的因素進行分析。黑體空腔傳感器由于幾何結(jié)構(gòu)特點以及腔外環(huán)境溫度等因素的影響，其積分發(fā)射率必然小于1，且具有較大的不確定性。因此建立黑體腔腔體的結(jié)構(gòu)模型和有限元模型，并研究其幾何特性、溫度分布等因素對腔體發(fā)射率的影響，對于黑體空腔的優(yōu)化設(shè)計和提高測溫系統(tǒng)的準(zhǔn)確度具有重要的意義。近年來，人們采用各種方法計算黑體腔發(fā)射率，主要有多次反射法、Monte—Carlo法和積分方程法。2008年劉仁學(xué)等建立了圓筒形黑體空腔有限元模型，運用ANSYS對黑體腔腔體發(fā)射率進行了仿真，仿真結(jié)果與公式計算結(jié)果具有較好的一致性。本文采用積分方程理論，建立了黑體腔結(jié)構(gòu)模型，對黑體腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行研究，分析各個參數(shù)對黑體腔腔體發(fā)射率的影響。

3.1 黑體腔結(jié)構(gòu)模型

以常用的圓筒型黑體腔為例，其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。圖中，r為黑體腔筒底坐標(biāo)軸、x為側(cè)面坐標(biāo)軸，z為蓋面的坐標(biāo)軸;L為圓筒筒長;Z為圓筒半徑;R0為圓筒開口半徑;RD為接收器半徑;H為接收器到腔口的距離。

黑體腔腔體的有效發(fā)射率εa定義為：

根據(jù)以上圓筒型腔體模型，可以求解得到黑體腔內(nèi)各個節(jié)點的有效發(fā)射率，然后根據(jù)以下公式得到黑體腔積分發(fā)射率：

通過計算黑體腔積分發(fā)射率，分析各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對黑體腔發(fā)射率的影響，提高黑體腔性能。

3.2 圓筒型腔體發(fā)射率分析

以常用的帶蓋圓筒形黑體腔為例，分析黑體腔腔體長度、開口半徑大小、腔體材料發(fā)射率、接收器到腔口的距離對黑體腔發(fā)射率的影響。

以腔體底面半徑R為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)R=1，長徑比L/R=5，材料發(fā)射率ε分別取0.1、0.5、0.8，孔徑比R0/R分別取0.1～0.9，腔體發(fā)射率如圖3所示：

由圖3可知，腔體發(fā)射率受腔體開口大小的影響，孔徑比R0/R值越小腔體發(fā)射率越大，但從應(yīng)用上考慮，黑體腔的開口應(yīng)足夠大，可為接收器提供較大的視場。腔體的材料發(fā)射率ε對黑體腔的影響與腔體的其他因素相關(guān);當(dāng)R0/R較大時，腔體的材料發(fā)射率對腔體發(fā)射率的影響較大，但當(dāng)R0/R較小時，腔體的材料發(fā)射率對腔體發(fā)射率的影響就很小了。

當(dāng)孔徑比R0/R=0.5時，材料發(fā)射率ε分別取0.1、0.5、0.8，長徑比L/R分別取1～10，腔體發(fā)射率如圖4所示：

由圖4可以得出長徑比L/R是影響黑體腔發(fā)射率的重要因素之一，L/R越大，腔體發(fā)射率越大，但是隨著L/R增大到一定程度時，其腔體發(fā)射率的變化已不大，而且腔體長度過長會增加黑體腔制造成本。

當(dāng)圓筒形黑體腔結(jié)構(gòu)參數(shù)為：L=10，R=2，R0=1，ε=0.1，H分別取0～40時，黑體腔積分發(fā)射率的變化如圖5所示。

接收器到腔口的距離H對黑體腔的影響很大、εc隨著H的增大先增大后減小，逐漸趨于穩(wěn)定、這主要是由于腔壁的分布不均勻性導(dǎo)致?？紤]具體現(xiàn)實條件H取值范圍在10左右。

綜上可知，黑體腔腔體長度、開口半徑、材料本身發(fā)射率、接收器到腔口的距離對黑體腔發(fā)射率都有影響。當(dāng)黑體腔長徑比為3—5，孔徑比為0.5，接收器到腔口的距離為10左右，腔體材料本身發(fā)射率較高時，黑體腔腔體發(fā)射率較高。

4 光電轉(zhuǎn)換模塊

光電探測部分的設(shè)計也是藍寶石光纖高溫傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一，它直接影響著整個傳感器的響應(yīng)時間、靈敏度等因素。本文的光電轉(zhuǎn)換模塊由SENSEL公司的SPMMicro103 5x18型固態(tài)光電倍增管(如圖6所示)和與之配套的跨阻放大器組成，該模塊主要是對微光信號進行探測及放大，能同時檢測交流和直流信號，有較好的信噪比。該SSPM外形較小，感光面積僅為1 mm2，共有400個工作于Geiger模式下的APD微元，其增益大于106，響應(yīng)時闖小于100ns，具有較低的供電電壓，在可見光范圍內(nèi)具有較高的光子探測效率，約為13.5%(如圖7所示)。根據(jù)維恩位移定律得知溫度升高時，輻射強度的最大值向短波方向移動，所以此SSPM符合高溫測試的需求。

5 無線通信模塊

典型的光纖高溫測試系統(tǒng)由被測對象、測溫主機、發(fā)射傳輸裝置及接收裝置組成。本文采用測量主機與無線通信從機的雙機模式實現(xiàn)。圖8為測量主機原理框圖，測量主機完成溫度數(shù)據(jù)的采集處理，由光纖高溫測試系統(tǒng)和單片機MSP430F149組成。采用多路AD芯片(MSP430內(nèi)部AD)實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并且留有其它模擬量的測量通道，可擴展諸如濕度等其他模擬量的監(jiān)控。為了補償環(huán)境溫度可連接環(huán)境溫度傳感器DS18B20。采用無線收發(fā)模塊PTR8000模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，訊通公司的PTR8000帶有內(nèi)置環(huán)形天線，可直接與單片機連接，無須外接其他器件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。

無線通信從機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。為了完成PTR8000與PC機的數(shù)據(jù)交換在無線通信從機中使用RS232接口。在監(jiān)控PC機上，采用C++開發(fā)上位機的人機接口界面。系統(tǒng)電路(見圖9)分為測溫及發(fā)射板(測量主機)、接收板(無線通信從機)該系統(tǒng)中主機的任務(wù)是完成數(shù)據(jù)采集與處理，包括進行A/D轉(zhuǎn)換、環(huán)境溫度補償，對即將傳送來的數(shù)字信號進行組織處理。發(fā)射端的PTR8000將單片機的信息調(diào)制成射頻信號發(fā)出，接收端的PTR8000模塊將接收到的信息，解調(diào)成為TTL電平，由單片機處理后經(jīng)由RS232接口送到PC，供計算機后期處理。

6 實驗及結(jié)論

為了驗證系統(tǒng)的性能，以氧炔焊機作為熱源對其進行測試。傳感器測試裝置由氧炔焊機、藍寶石光纖傳感器、紅外輻射測溫儀、計算機組成。其中，氧炔焰最高溫度可達3000℃，紅外輻射測溫儀通過高溫黑體爐校準(zhǔn)，測溫范圍為1000～3000℃。首先開啟并調(diào)節(jié)氧炔焊機使其達到一定溫度，利用紅外測溫儀測得溫度，然后將傳感器黑體腔探頭快速接觸熱源測得其信號。表1為系統(tǒng)測溫數(shù)據(jù)，實驗表明，藍寶石光纖黑體腔高溫傳感器測溫范圍為800～2000℃，測溫精度為測量精度為1%，測量重復(fù)性為0.3%。

綜上所述，此測量系統(tǒng)具有測溫范圍廣、響應(yīng)快、穩(wěn)定性高、抗電磁干擾性能強等優(yōu)點，能進行特殊環(huán)境下的實時高溫測試。在冶金、機械、化工、建材等行業(yè)的被測體溫度的測量與在線控制中有廣泛應(yīng)用前景，對產(chǎn)品的質(zhì)量保證與控制有重要意義。