藍(lán)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(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。

　　2.理論基礎(chǔ)

　　光纖溫度傳感器系統(tǒng)包括端部摻雜質(zhì)的高溫藍(lán)寶石單晶光纖探頭、Y型石英光纖傳導(dǎo)束、超高亮發(fā)光二極管(LED)及驅(qū)動(dòng)電路、光電探測(cè)器、熒光信號(hào)處理系統(tǒng)和輻射信號(hào)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(yīng)光強(qiáng)調(diào)制型光纖溫度傳感器屬于被動(dòng)式光強(qiáng)調(diào)制，它不需要外加光源，而直接由藍(lán)寶石光纖制成的黑體腔收集熱輻射，然后通過(guò)傳輸光纖送到光電二極管探測(cè)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。熱輻射的強(qiáng)度和波長(zhǎng)是溫度的函數(shù)。采用帶黑體腔的高溫單晶藍(lán)寶石(α-Al2O3)光纖(其熔點(diǎn)溫度為2050℃)，當(dāng)黑體腔與待測(cè)溫度區(qū)熱平衡時(shí)，黑體腔就按照黑體輻射定理發(fā)射與待測(cè)溫度T相對(duì)應(yīng)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(shù);C2=1.44×102μm·K為第二輻射常數(shù);λ為光譜輻射波長(zhǎng);T為黑體輻射溫度。這一功率經(jīng)高溫光纖直接耦合進(jìn)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(yīng)為0.4～1.1μm，同時(shí)為了使黑體腔的發(fā)射率穩(wěn)定，控制黑體腔的長(zhǎng)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(zhǎng)度、損耗系數(shù)。

　　在低溫區(qū)(400℃以下)，輻射信號(hào)較弱，系統(tǒng)開(kāi)啟發(fā)光二極管(LED)，使熒光測(cè)試系統(tǒng)工作，發(fā)光二極管發(fā)射調(diào)制的激勵(lì)光，經(jīng)聚光鏡耦合到Y(jié)型光纖的分支端，由Y型光纖并通過(guò)光纖耦合器到藍(lán)寶石光纖探頭。光纖探頭端部受激勵(lì)光激勵(lì)而發(fā)射熒光，信號(hào)由藍(lán)寶石光纖導(dǎo)出，并通過(guò)光纖耦合器從Y型光纖的另一分支端射出，由光電探測(cè)器接受。光電探測(cè)器輸出的光信號(hào)經(jīng)放大后由熒光信號(hào)處理系統(tǒng)處理，計(jì)算出熒光壽命得到所測(cè)溫度值。

　　3.信號(hào)處理

　　光電二極管感應(yīng)的光輻射信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大、線性化處理、A/D轉(zhuǎn)換、微機(jī)處理后給出待測(cè)溫度。為了實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，加入多路開(kāi)關(guān)，通過(guò)微機(jī)控制，選擇所測(cè)點(diǎn)。如圖2所示。

　　由于光纖給出的輸出光強(qiáng)是非線性的指數(shù)信號(hào)，這種非線性關(guān)系，在溫度數(shù)字化測(cè)量中，加進(jìn)線性化裝置進(jìn)行線性補(bǔ)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(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單，精度取決于折線段的多少。