藍(lán)寶石光纖瞬態(tài)高溫傳感器技術(shù)研究

一、引言

在工程實(shí)際應(yīng)用中，有許多場(chǎng)合需對(duì)超過1000℃的高溫進(jìn)行測(cè)試，而且某些環(huán)境中還伴有強(qiáng)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(duì)于像火藥燃燒時(shí)的溫度、各種發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的溫度等變化的高溫?cái)?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(cè)結(jié)果是否能準(zhǔn)確反映客觀對(duì)象的真實(shí)情況也是一個(gè)棘手的問題。

六、七十年代，輻射測(cè)溫技術(shù)有了飛速的發(fā)展，該技術(shù)具有能測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體和不破壞被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)等特點(diǎn)，可用于瞬態(tài)溫度的測(cè)量。國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了研究，并開發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品。美國(guó)Vanzette公司首先生產(chǎn)了帶光導(dǎo)纖維探頭的輻射溫度計(jì)。 R.R.Dils 的專利U.S.Patent #4、750、139介紹了一種用藍(lán)寶石光導(dǎo)棒溫度傳感器測(cè)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(cè)溫范圍低，響應(yīng)速度慢，遠(yuǎn)不能滿足瞬態(tài)溫度測(cè)量的要求，而且價(jià)格昂貴。

在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)、浙江大學(xué)及西安電子科技大學(xué)等高校也開展了光纖高溫傳感器方面的研究。清華大學(xué)周炳琨等人于1989年1月申請(qǐng)了光纖黑體腔溫度傳感器專利。863計(jì)劃項(xiàng)目之一，浙江大學(xué)物理系沈永行等人所研制的藍(lán)寶石黑體腔光纖傳感器，采用高發(fā)射率的陶瓷高溫?zé)Y(jié)制成的微型光纖感溫腔，具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和較高的測(cè)試精度;其靜態(tài)測(cè)溫范圍為500℃～1800℃，測(cè)溫精度優(yōu)于±0.2%，已開始少量應(yīng)用，并正在進(jìn)一步推廣之中。但總的來說，國(guó)內(nèi)的工作多集中在靜態(tài)高溫測(cè)試中，動(dòng)態(tài)測(cè)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(lán)寶石光纖為黑體高溫傳感器構(gòu)建了高溫測(cè)試系統(tǒng)，并測(cè)試了運(yùn)動(dòng)乙炔焰的溫度。該結(jié)果對(duì)解決目前諸多工程實(shí)際應(yīng)用中瞬態(tài)高溫測(cè)試難題具有明顯地意義。

二、系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)由藍(lán)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(cè)器組成，其結(jié)構(gòu)見圖1。它的工作原理如下：當(dāng)藍(lán)寶石黑體溫度傳感器靠近某高溫輻射源時(shí)，熱容很小的黑體溫度傳感器迅速達(dá)到熱平衡，由黑體輻射理論可知，其開始向藍(lán)寶石光纖輻射熱信號(hào)。熱量輻射信號(hào)經(jīng)過錐形光纖和普通光纖長(zhǎng)距離傳輸后接到光電探測(cè)器。藍(lán)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(jìn)行濾光。這里，采用錐形光纖的目的是為了提高藍(lán)寶石黑體溫度傳感器輸出信號(hào)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(cè)器，該探測(cè)器的連接電路原理圖和相對(duì)光譜靈敏度曲線如圖2所示，

性能指標(biāo)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(shí)間小于3.5ms;高可靠性ST接頭，牢固的同軸封裝。光電探測(cè)器的輸出信號(hào)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(shí)，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(zhǎng);

T—絕對(duì)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(cè)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(zhǎng)為λ0，帶寬為Δλ，輻射光信號(hào)經(jīng)光纖傳入硅光探測(cè)器后輸出的電壓為：

式中，η(λ)—光信號(hào)傳輸過程中光纖(包括藍(lán)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(xué)元件的插入損耗引起的輻射能損失，顯然η(λ)<1。

當(dāng)干涉濾光片的帶寬很窄時(shí)，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(cè)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(gè)與溫度無關(guān)的常數(shù)，因此只需在單一溫度點(diǎn)下標(biāo)定即可。可經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)值積分計(jì)算后得到，我們把各個(gè)溫度T對(duì)應(yīng)的R′(T)值作為一個(gè)表格，系統(tǒng)檢測(cè)到的輻射光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后，通過查表，就可以得到相應(yīng)的溫度。

設(shè)干涉濾光片中心波長(zhǎng)λ0=820nm，帶寬Δλ=10nm，當(dāng)T分別取1000K， 1200K， 1400K，1600K，1800K，2000K，2200K時(shí)，對(duì)式(7)進(jìn)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(duì)應(yīng)的輻射通量R′(T)：

四、實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

資料顯示，乙炔焰的焰心溫度可達(dá)4000℃以上，因此在實(shí)驗(yàn)中我們以此為高溫?zé)嵩磳?duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)裝置比較簡(jiǎn)單，首先將藍(lán)寶石黑體溫度傳感器固定金屬支架上，點(diǎn)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(lán)寶石黑體溫度傳感器，所測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示。數(shù)字示波器采用PHILIPSPM9080記憶存儲(chǔ)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(cè)溫度達(dá)1960℃，響應(yīng)時(shí)間小于120ms。實(shí)驗(yàn)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?yàn)檠嫘牡臏囟冗h(yuǎn)遠(yuǎn)超過2000℃，極易在實(shí)驗(yàn)中燒壞溫度傳感器。

五、特點(diǎn)及結(jié)論

在工業(yè)諸多的瞬態(tài)高溫環(huán)境中，即使測(cè)量溫度范圍較高的鎢錸熱電偶也容易氧化變脆，導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度降低，再加上對(duì)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(cè)試系統(tǒng)。我們采用藍(lán)寶石高溫光纖為傳感器對(duì)瞬態(tài)乙炔焰進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果信噪比非常好，表明其完全可以進(jìn)行瞬態(tài)高溫測(cè)試。

本試驗(yàn)的結(jié)果有以下特點(diǎn)：采集方法簡(jiǎn)單，成本低;測(cè)試溫度范圍高，可達(dá)2000℃;響應(yīng)時(shí)間小于120ms，可對(duì)各種瞬態(tài)變化過程進(jìn)行測(cè)試。對(duì)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(dòng)等問題，是完全可以適用的。因此，它有很好的推廣價(jià)值。