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)建了高溫測試系統(tǒng),并測試了運(yùn)動乙炔焰的溫度。該結(jié)果對解決目前諸多工程實(shí)際應(yīng)用中瞬態(tài)高溫測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(yīng)光強(qiáng)調(diào)制型光纖溫度傳感器屬于被動式光強(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,然后通過傳輸光纖送到光電二極管探測并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。熱輻射的強(qiáng)度和波長是溫度的函數(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)射與待測溫度T相對應(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;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(shù)。
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(diào)制的激勵光,經(jīng)聚光鏡耦合到Y(jié)型光纖的分支端,由Y型光纖并通過光纖耦合器到藍(lán)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(lán)寶石光纖導(dǎo)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(jīng)放大后由熒光信號處理系統(tǒng)處理,計(jì)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(yīng)的光輻射信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、信號放大、線性化處理、A/D轉(zhuǎn)換、微機(jī)處理后給出待測溫度。為了實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量,加入多路開關(guān),通過微機(jī)控制,選擇所測點(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,這種非線性關(guān)系,在溫度數(shù)字化測量中,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(shè)置
在熔煉過程中,金屬液體始終處于流動狀態(tài);可以認(rèn)為在這個(gè)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(shè)置
在加熱爐中,被處理的工件與爐壁進(jìn)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(shù)。當(dāng)熱平衡時(shí)候,T1=T2,Q12=0。兩者之間沒有了熱交換,這時(shí)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(nèi)溫度場為不穩(wěn)定溫度場。在鑄件截面上某一點(diǎn),不同時(shí)刻,溫度是不同的;在同一瞬間,鑄件截面上各點(diǎn)的溫度也不同。其溫度場是坐標(biāo)(x,y,z)和時(shí)間t的函數(shù)
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(jìn)一步進(jìn)行仿真模擬,提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率,有必要對凝固過程進(jìn)行多點(diǎn)測量。光纖溫度傳感器能夠快速響應(yīng)溫度變化,測量精度高,可以準(zhǔn)確的反映溫度場的情況。在測量中,將探頭安置于所測點(diǎn),通過微機(jī)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(diǎn)測量,為測試提供便利的測試接口,同時(shí)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(shí)現(xiàn)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??紤]到在熱加工環(huán)境下使用,光纖連接器必須可靠、堅(jiān)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(jié)構(gòu),在插入中很容易對準(zhǔn),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(nèi)使用成為可能。
5 結(jié)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(gè)溫區(qū)進(jìn)行測試;在整個(gè)溫度區(qū)域的測試過程中,對比測試結(jié)果,光纖高溫探頭與鉑銠熱電偶測試結(jié)果基本相符。光纖高溫傳感器的使用壽命長,重復(fù)性好,性能價(jià)格比高,完全可以在生產(chǎn)中替代鉑銠熱電偶,目前已經(jīng)部分應(yīng)用于生產(chǎn)過程中。
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