蓝宝石光纤温度传感器系统原理分析

1 前言

　基于Plank黑体辐射定律，我们以镀有高温陶瓷的蓝宝石光纤为黑体高温传感器构建了高温测试系统，并测试了运动乙炔焰的温度。该结果对解决目前诸多工程实际应用中瞬态高温测试难题具有明显地意义。

　　2.理论基础

　　光纤温度传感器系统包括端部掺杂质的高温蓝宝石单晶光纤探头、Y型石英光纤传导束、超高亮发光二极管(LED)及驱动电路、光电探测器、荧光信号处理系统和辐射信号处理系统。如图1所示。

　　在高温区(400℃以上)，光纤温度传感器基于光纤被加热要引起热辐射的原理工作。热辐射效应光强调制型光纤温度传感器属于被动式光强调制，它不需要外加光源，而直接由蓝宝石光纤制成的黑体腔收集热辐射，然后通过传输光纤送到光电二极管探测并进行数据处理。热辐射的强度和波长是温度的函数。采用带黑体腔的高温单晶蓝宝石(α-Al2O3)光纤(其熔点温度为2050℃)，当黑体腔与待测温度区热平衡时，黑体腔就按照黑体辐射定理发射与待测温度T相对应的电磁辐射，其谱功率密度出射率可以用Plank公式表示为

　　其中ελ为黑体腔的谱发射率;C1=3.74×108 W·μm4/m2为第一辐射常数;C2=1.44×102μm·K为第二辐射常数;λ为光谱辐射波长;T为黑体辐射温度。这一功率经高温光纤直接耦合进入低温光纤，然后射入光电二极管光敏面。考虑到光电二极管光敏面的光谱响应为0.4～1.1μm，同时为了使黑体腔的发射率稳定，控制黑体腔的长径比大于 3，于是黑体腔谱发射率ελ≈ 1，入射到光电二极管光敏面的黑体总辐射能量为

　　其中n1、n2分别表示高温光纤与低温光纤、低温光纤与光电二极管光敏面之间的功率耦合效率;S、l′、α分别表示高温光纤截面积、长度、损耗系数。

　　在低温区(400℃以下)，辐射信号较弱，系统开启发光二极管(LED)，使荧光测试系统工作，发光二极管发射调制的激励光，经聚光镜耦合到Y型光纤的分支端，由Y型光纤并通过光纤耦合器到蓝宝石光纤探头。光纤探头端部受激励光激励而发射荧光，信号由蓝宝石光纤导出，并通过光纤耦合器从Y型光纤的另一分支端射出，由光电探测器接受。光电探测器输出的光信号经放大后由荧光信号处理系统处理，计算出荧光寿命得到所测温度值。

　　3.信号处理

　　光电二极管感应的光辐射信号经过光电转换、信号放大、线性化处理、A/D转换、微机处理后给出待测温度。为了实现多点测量，加入多路开关，通过微机控制，选择所测点。如图2所示。

　　由于光纤给出的输出光强是非线性的指数信号，这种非线性关系，在温度数字化测量中，加进线性化装置进行线性补偿。这里选用模拟线性化，采用折线逼近方案，即用连续有限折线代替曲线的直线化方式。其特点是技术简单，精度取决于折线段的多少。

　　4 测试方法

　　4.1熔炼过程中的探头设置

　　在熔炼过程中，金属液体始终处于流动状态;可以认为在这个温度场中，金属液体各处的温度基本一致。将探头放置于溶液表面下10cm左右处，通过热辐射测出溶液温度。

　　4.2在热处理加热炉系统中的探头设置

　　在加热炉中，被处理的工件与炉壁进行热交换。辐射换热量表示为

　　ε1、ε2分别为工件和炉壁的黑度，φ21为角系数。当热平衡时候，T1=T2，Q12=0。两者之间没有了热交换，这时候就可以测出工件的温度。将探头安置于炉壁，外接光纤测出工件的加热温度。

　　4.3凝固过程中的温度测量

　　铸件在凝固过程中，它的内温度场为不稳定温度场。在铸件截面上某一点，不同时刻，温度是不同的;在同一瞬间，铸件截面上各点的温度也不同。其温度场是坐标(x，y，z)和时间t的函数

　　T=(x，y，z，t)

　　为了测出铸件在凝固过程的温度场，研究温度场和等温面的变化，进一步进行仿真模拟，提高产品质量和成品率，有必要对凝固过程进行多点测量。光纤温度传感器能够快速响应温度变化，测量精度高，可以准确的反映温度场的情况。在测量中，将探头安置于所测点，通过微机来观察和描绘温度场。

　　4.4光纤连接

　　为了使光通道的可拆性成为可能，便于多点测量，为测试提供便利的测试接口，同时尽可能的降低连接过程中的光损耗，在光纤接口处采用可以拔插的光纤连接器，实现从光源到光纤、光纤到光纤以及光纤到探测器之间的光耦合。考虑到在热加工环境下使用，光纤连接器必须可靠、坚固耐用、可维修、插入损耗小等因素，采用SC型单芯光纤连接器。这种连接器的法兰盘中有卡簧，接口是矩形结构，在插入中很容易对准，适宜于高密度安装，提高了操作性、损耗的稳定性以及封装密度。在连接中还可以采用小型封装连接器SFF，使在较小的空间内使用成为可能。

　　5 结论

　　在熔炼炉的加热过程中，用铂铑热电偶和光纤高温探头对同一个温区进行测试;在整个温度区域的测试过程中，对比测试结果，光纤高温探头与铂铑热电偶测试结果基本相符。光纤高温传感器的使用寿命长，重复性好，性能价格比高，完全可以在生产中替代铂铑热电偶，目前已经部分应用于生产过程中。