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。考慮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。

　　4 測(cè)試方法

　　4.1熔煉過(guò)程中的探頭設(shè)置

　　在熔煉過(guò)程中，金屬液體始終處于流動(dòng)狀態(tài);可以認(rèn)為在這個(gè)溫度場(chǎng)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(guò)熱輻射測(cè)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(méi)有了熱交換，這時(shí)候就可以測(cè)出工件的溫度。將探頭安置于爐壁，外接光纖測(cè)出工件的加熱溫度。

　　4.3凝固過(guò)程中的溫度測(cè)量

　　鑄件在凝固過(guò)程中，它的內(nèi)溫度場(chǎng)為不穩(wěn)定溫度場(chǎng)。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(chǎng)是坐標(biāo)(x，y，z)和時(shí)間t的函數(shù)

　　T=(x，y，z，t)

　　為了測(cè)出鑄件在凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)，研究溫度場(chǎng)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(duì)凝固過(guò)程進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量。光纖溫度傳感器能夠快速響應(yīng)溫度變化，測(cè)量精度高，可以準(zhǔn)確的反映溫度場(chǎng)的情況。在測(cè)量中，將探頭安置于所測(cè)點(diǎn)，通過(guò)微機(jī)來(lái)觀察和描繪溫度場(chǎng)。

　　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(cè)量，為測(cè)試提供便利的測(cè)試接口，同時(shí)盡可能的降低連接過(guò)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(cè)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(pán)中有卡簧，接口是矩形結(jié)構(gòu)，在插入中很容易對(duì)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(guò)程中，用鉑銠熱電偶和光纖高溫探頭對(duì)同一個(gè)溫區(qū)進(jìn)行測(cè)試;在整個(gè)溫度區(qū)域的測(cè)試過(guò)程中，對(duì)比測(cè)試結(jié)果，光纖高溫探頭與鉑銠熱電偶測(cè)試結(jié)果基本相符。光纖高溫傳感器的使用壽命長(zhǎng)，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(guò)程中。