（测试计量技术及仪器专业论文）涡轮叶片温度和位移的检测技术研究.pdf

摘要 摘要 随着汽车制造、航空，以及电力等工业的发展，如何监测燃气轮机等旋 转机械的运行参数成为各行业的热点研究问题。本文研究的是燃气轮机涡轮 叶片温度和轴向位移同步检测系统，与以往不同的是通过非接触测量用一个 探头同时测量这两个物理量。考虑到燃气轮机内部恶劣的测量条件，充分发 挥光纤传感器耐高温，抗电磁干扰，体积小，传输损耗小等一系列优势，设 计了智能化光纤温度和位移传感器系统。该温度和位移检测系统主要由光传 输系统和信号处理系统组成。 首先，温度测量部分比较了几种辐射式光纤温度传感器的优、缺点，由 于比色法能极大地接近真实温度，具有良好的精确度和实用性，而且可以避 免以往辐射式光纤传感器中物体发射率的确定，所以选择了以比色测温为原 理的辐射式光纤温度传感器，并详细阐述了比色法中波长参数的确定方法。 其次，针对动态表面的测量，设计了一种简单可靠的反射式强度调制型 光纤位移传感器，它与光纤温度传感器共用一个光学传感器探头，节省了涡 轮叶片测量所占用的空间。并构造了该传感器探头的数学模型，分析了位移 传感器的反射光强度调制特性。采用了双光路检测技术，来消除光传输过程 中的误差，提高精度。 本课题温度和位移测量通道的光信号通过光电转换、放大，由单片机 a d u c 8 4 8 进行a d 转换，除法运算等处理，并与计算机实现了通讯，最后建 立实验模型进行了验证。 关键词光纤温度传感器：反射式位移传感器；比色法；反射光强度调制； 涡轮叶片 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t m ht h ec o n t i n u o u s p r o g r e s s o fa u t o m o b i l e m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , a v i a t i o na n dp o w e ri n d u s t r y , h o wt om o n i t o ro p e r a t i o n a lp a r a m e t e r so fr o t a r y s u e h 嬲t u r b i n ee n g i n ei st h eh o tr e s e a r c h i n gp r o b l e mf o ra l li n d u s t r i e s i nt h i s p a p e r , an o v e lt e c h n i q u ef o rt u r b i n eb l a d e si sp r e s e n t e dt om e a s u r et e m p e r a t u r e a n da x i a ld i s p l a c e m e n ts i m u l t a n e o u s l yw i t ha s i n g l es e n s o rp r o b e ，b yu s i n g n o n - t a n g e n tm e a s u r e m e n tm e t h o d b a s e do nt h eb a s i cp r i n c i r l eo ff i b e r - c - p t i e s e n s o r , t h em e a s u r e m e n ts y s t e m sa r ed i s c u s s e d ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h e c o n d i t i o n so fh i g ht e m p e r a t u r e ，s t r o n ge l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n dn a r r o w s p a c e i nt h i sp r o j e c t ，t h em a i ne l e m e n t sf o rs e n s o r s ，o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m a n ds i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e ma l ed i s c u s s e d e s p e c i a l l y ，ac o n c e n t r i cm u r p c i r c l e f m c rb u n d l ei su s e di nt h es e n s o rp r o b e w h i c hi sd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h e r e q u i r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tr a n g ea n dd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n tr a n g e mf i r s tp a r to ft h ep a p e ri n t r o d u c e st h em e r i t sa n df a u l t so fs e v e r a lk i n d s o fr a d i a t i o n - t y p ef i b e r - o p t i cp y r o m e t e r s b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fc o l o r i m e t r y m e a s u r e m e n t ，af i b e r - o p t i ct e m p e r a t u r es e n s o ri ss e l e c t e d ，i nv i e wo fi t sh i g h m e a s u r e m e n t a c c u r a c ya n dp r a c t i c a b i l i t y t h e n t h e p a p e re x p o u n d s t h e d e t e r m i n a t i o no f o p e r a t i n gw a v e l e n g t h , w h i c hr e l i e so nt h er e q u i r e dt e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tr a n g ea n dt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h ef i b e r - o p t i cp y r o m e t e r u s i n gt h ee 0 1 0 r i m e t r ym e a s u r e m e n t t h ea d v a n c e dc i r c u i t s c a l l1 1 1 0 n i t o rt h e c h a n g eo f t e m p e r a t u r ei n t e l l i g e n t l y a n dt h em e a s u r e m e n tr e s u l tc a nh ec l o s et o t h et u r b i n eb l a d e s t r u et e m p e r a t u r e i n s u c c e s s i o n , f o r d y n a m i c s u r f a c em e a s u r e m e n t ，an e wr e t i e c t i v e i n t e n s i t y m o d u l a t e dd i s p l a c e m e n ts e n s o rw i t has i m p l ea n dr e l i a b l es t r u c t u r ei s p r o p o s e di nd e t a i l , w h i c hs h a r e sas e n s o rp r o b ew i t ht h ef i b e r - o p t i ct e m p e r a t u r e s e n s o r s oi t p r o v i d e s e c o n o m i c a l s p a c e f o rt u r b i n eb l a d e s t h e nt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h es e n s o rh e a di sc o n s t r u c t e d a n dt h er e f l e c t i v e a b s t r a c t i n t e n s i t ym o d u l a t i o ni sa n a l y z e d i no r d e rt oe l i m i n a t et h ep r o b l e mo fd i f f e r e n t r e f l e c t i v i t yf a c t o r , p r o v i d eah i g hs e n s i t i v i t ya n da v o i dt h eu n s t a b i l i t yo f t h e h t t r a n s m i s s i o ns y s t e mc r e a t e db yt h ei l l u m i n a n tr e c e i v i n go u t s i d ed i s t u r b a n c e ， d o u b l eo p t i c a lp a t h sd e t e c t i n gt e c h n i q u ei sa d o p t e di nt h i sp r o j e c t b yu s i n gs u c h t e c h n i q u e ，t h er e s u l ts h o w st h a to p t i c a lf i b e rd i s p l a c e m e n ts e n s o r ss e n s i t i v i t y p r o b l e m t ot e m p e r a t u r ec a l lb ew e l le l i m i n a t e d t h et w o w a ys i g n a l sf i o mt e m p e r a t u r ea n dd i s p l a c e m e ms y s t e ma r e d i s p o s e db ye l e c t r o p h o t o n i cd e t e c t o r ，a m p l i f i e ra n ds i n g l e e h i pa d u c 8 4 8 ，w h i c h c a l lc o m p l e t ea da n dr a t i od i s p o s a l , a sw e l la sc o m m t m i c a t i n gw i t hp c a tl a s t ， t h ee x p e r i m e n t a lm o d e li sc o n s t r u c t e dt oe x a m i n ea n dc e r t i f yt h ea p p r o a c h k e y w o r d sf i b e r - o p t i ct e m p e r a t u r es e n s o r ；r e f l e c t i v ed i s p l a c e m e n ts e n s o r ； c o l o r i m e t r ym e a s u r e m e n t ；r e f l e c t i v ei n t e n s i t ym o d u l a t i o n ； t u r b i n eb l a d e s m 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文涡轮叶片温度 和位移的检测技术研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读 硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论 文中除已注明部分外不包含他人己发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字彬和韵日期：炒缉月7 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 涡轮叶片温度和位移的检测技术研究系本人在燕山大学 攻读硕士学位期问在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的 研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一 完成单位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学 位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和 电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或 部分内容。 保密口，在 本学位论文属于 不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“” 作者签名：j 乱缸晶 导师签名： 弦词 年解密后适用本授权书。 ) 日期矽莎年8 7 日 日期：珈年，月7 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 在科学技术迅猛发展的信息化时代，传感器是感知、获取、检测和转 换信息的窗口，是实现信息化时代的主要技术基础。6 0 年代光纤的问世， 又使这一领域了呈现了新的景象，在短短的几十年，随着光通讯的应用， 光纤工艺和技术得到了惊人的发展，并且从实验室走向实用化，逐步形成 产业化，社会、经济效益与日俱增。从上世纪7 0 年代开始，人们逐渐认识 到光纤本身可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能 把待测的量和光纤内的导光联系起来【l 】。光纤的许多性质可用于探测各种物 理量，光纤传感器由此迅速发展起来，光纤传感器的突出之处在于以光学 技术为基础，将被敏感的状态以光信号形式取出，光信号可以利用半导体 二极管诸如光电二极管、p i n 管、发光二极管、激光二极管之类的小型而简 单的元件很容易进行光电、电光转换，所以易与高度发展的电子装置匹配， 此外，由于光纤不仅是敏感元件而且也是一种优良的低损耗传输线，质量 小，截面小，不必考虑测量仪和被测物体的相对位置，从而特别适合于电 子传感器等不太适用的地方。 与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点是 ( 1 ) 抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。由于光纤传感器是利用 光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，因而不怕强电磁 干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在各种大型机电、 石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而 有效地传感。 ( 2 ) 灵敏度高。利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度 优于一般的传感器。其中有的己由理论证明，有的已经实验验证，如测量 水声、加速度、辐射、温度、磁场等物理量的光纤传感器。 ( 3 ) 重量轻，体积小，外形可变。光纤除具有重量轻、体积小的特点外， 还有可挠的优点，因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传 燕山大学工学硕士学位论文 感器。这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。 ( 4 ) 测量对象广泛。目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速度、 加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、 液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。 ( 5 ) 对被测介质影响小，这对于医药生物领域的应用极为有利。 ( 6 ) 便于复用，便于成网。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤 传感网络。 ( 7 1 成本低。有些种类光纤传感器的成本将大大低于现有同类传感器1 2 1 。 光纤传感器的分类有很多种形式。按传感原理可分为功能型和非功能 型。功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以 也称为传感型光纤传感器，或全光纤传感器。非功能型光纤传感器是利用 其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输物质，传输来自远处或 人们难以接近场所的光信号，所以也称为传光型传感器，或混合型传感器【3 】。 被调制的光波参数不同，光纤传感器又可分为强度调制光纤传感器、相位 调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长调制 光纤传感器：根据探测的物理量，光纤传感器又分为很多种。目前，光纤 传感器可以对位移、压力、温度、速度、振动、液位、角速度等近7 0 多种 物理量进行测量，其中位移量是既容易测量又容易获得高精度的检测，它 又是其它物理量检测的基础。因此最早研究的光纤传感器便是光纤位移传 感器。目前，它正在工业、军事和医疗等广大领域中发挥越来越大的作用。 温度量在工业生产中约占需要检测量的5 0 ，常用的检测仪器有玻璃液体温 度计、电阻式温度计、热电偶温度计和辐射式温度计等【4 】。而在特殊的测量 环境中，光纤温度传感器由于具备以上传统传感器没有的优势，尤其在辐 射测温中，光纤代替了常规测温仪的空间传输光路，使干扰因素如尘雾、 水汽等对测量结果影响很小，因而光纤传感技术引起人们极大的重视，成 为一个具有生命力的研究和应用领域【6 】。 1 2 选题的科学意义和目的 随着汽车制造、航天航空以及电力工业等的发展，如何检测燃气轮机 2 第1 章绪论 等旋转机械的运行参数成为各行业的热点研究问题。旋转机械需要在监视 系统中应用各种各样的传感器，以发现机器所处的危险和不经济的运行状 态。理想的传感器应该是当叶片表面温度和轴向位移产生f l l d , 的变化，便 能产生一个很大的信号输出变化，而且这个传感器应该能够用于燃气轮机 等旋转机械的在线监视，又能用于故障诊断，这就需要设计制造出与计算 机技术充分结合的智能传感器系统。涡轮叶片运行参数的监视和保护装置 是实现燃气轮机等旋转机械运行自动化的基础，没有完善可靠的监视保护 装置，就无法实现燃气轮机的自起停。对于一个复杂的燃气轮机或其它汽 轮机组，需要检测监视的涡轮叶片参数非常多，动态参数有振幅、振动频 率、转子相角等，静态参数有轴向位移、径向位移、相对膨胀等，以及其 它测量参数如叶片表面温度、转速、相关性等。 其中，如何提高燃气轮机的动力成为人们关注的焦点之一。提高燃气 轮机的动力就关系到燃气的充分燃烧，进而关系到涡轮叶片工作时的表面 温度。为了提高发动机的功率和推力，需要尽可能提高涡轮入口温度，炽 热的燃气直接与涡轮叶片接触，涡轮叶片需要承受很高的热负荷【6 ，7 】。然而， 涡轮入口温度被叶片材料所限制，因此不允许涡轮叶片在超温状态下工作。 金属材料的强度随温度的升高而降低，涡轮叶片在高温条件下工作，其材 料强度显著降低。因此，涡轮叶片承受的热负荷是其断裂的重要因素之一 虮。 涡轮叶片的断裂不仅会造成巨大的经济损失，还会影响人们的生命安全， 例如对于民航机和航空领域用的燃气涡轮发动机，涡轮叶片的断裂可能导 致机毁人亡，所以在飞行使用中，保证涡轮的安全工作是确保发动机的使 用寿命和飞行安全的重要任务。因此，为了保证发动机等旋转机械高效率 地运行，即涡轮叶片在高温燃气下长期安全工作，除了冷却保护措施，还 需要精确而快速地对涡轮叶片实施温度实时监测。由于燃气轮机内部温度 高，有强电磁干扰，空间狭小，叶片高速运转等一系列不利的测量条件， 故在传感器的选择方面，光纤传感器体现出不可替代的优越性。光纤传感 器或通过光纤传送信号，或者将光纤作为敏感元件，使得光纤传感器具有 灵敏度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性， 便于与计算机连接，结构简单，体积小，重量轻，耗电少等优点，所以， 燕山大学工学硕士学位论文 光纤温度传感技术受到世界各国科技人员高度重视和深入研究 9 , 1 0 1 。 同时，轴向位移也是燃气轮机等旋转机械的重要监测参数之一。它是 推力环对推力轴承的相对位置测量值。燃气轮机在正常运转条件下，轴向 位移也会随机械负荷而改变，所以轴向位置测量是允许在一定范围内变化 的。监测涡轮叶片轴向位移的主要目的是要避免转子和定子之间产生轴向 摩擦，轴向推力轴承的故障可能产生灾难性的后果，因此要千方百计阻止 这种机械故障产生【“l 。 根据本课题的要求，要同时实现涡轮叶片的温度和位移测量，设计整 体测量系统，既要考虑各自系统的独立性，还要考虑整体结构设计和参数 选择，在不多占用空间的前提下，完成多任务测量，实现传感器的集成化 和多功能化，这也是传感器系统的发展趋势之一【1 2 】。 1 3 国内外研究现状分析 7 0 年代以来，美国、日本、西德等国相继研制各种光纤温度传感器， 尤其从8 0 年代以来这些国家每年都有光纤温度传感器的专利公开，国外光 纤温度传感器己走出实验室，进入商品市场，而且欧美各国竞相研究多光 谱测温技术，主要用来解决高温及超高温目标的真实温度、物体的发射率 及热物性的动态测量。日本松下电器公司8 0 年代生产的光纤温度计，就已 经达到测温范围1 0 + 4 0 ，测量精度士o 0 5 。目前欧共体及美国联合 课题组h i e r n a u t 等人已研究出基于多波长辐射测温的亚毫米级6 波长高温 计，用于2 0 0 0 5 0 0 0k 真实温度的测量【l 。 我国对光纤传感器的研究极为重视，在“七五”规划中提出了1 5 项光 纤传感器项目，其中有光纤放射线探测仪，光纤位移、位置及角度传感器， 光纤温度传感器及温度测量系统，光纤陀螺等【“。中国专利局每年都有温度 传感器的专利公开，现已有多种光纤辐射高温计，其中比较典型的是中国 科学院西安光学精密机械研究所于1 9 8 9 年1 2 月申请的专利“双波长光纤温 度传感器”，它由探测光纤连接器、y 型分路集成器、信号处理和显示部分 组成。具有结构紧凑、体积小、成本低、性能高等特点。相对误差小于l ， 相应速度为0 - - 1 0l g n m s t l 4 l 。 4 第1 章绪论 目前已有多色的光电比色高温计，它所测得的温度更接近被测物体的 真实温度。基于光纤传输的涡轮叶片红外高温计有英国l a n d 公司的产品， 该高温计主要用于航空发动机涡轮叶片温度的测量，其中f p l l 型测温范围 6 0 0 1 3 0 0 ，精度为士o 2 5 + 2 。同类产品有国内3 0 3 所生产的各类型涡 轮叶片红外测温仪，其中机载涡轮叶片红外测温仪的各项性能指标是：测 温范围为6 0 0 - - 1 2 0 0 ，基本误差为士5 ，靶面积为妒61 1 1 1 1 1 ，光纤的长度为 1 8m ，探头尺寸为1 0 0 西9 m m ! ”j 。 光纤位移传感器方面，有基于相位调制的m a c h - z e h n d e r 干涉仪。相位 调制型位移传感器具有很高的灵敏度，但同时也有串音，易受振动、温度 等多种环境量干扰的缺点。有基于强度调制的透射式、反射式和微弯效应 等光纤位移传感器。强度调制型位移传感器的传感头结构与检测设备一般 不复杂，可以实现非接触测量，频响高，光探头小，线性度小，但测量范 围与灵敏度不高且抗干扰能力差，一般需进行补偿 1 6 - 1 8 】。其中，反射式有 南京航空航天大学生产的光纤位移传感器y 1 型和y 2 型，精度达n o 5 和 l ，环境温度0 - - 4 0 c 【”】。p h i l t e c 公司生产的r c 型非接触式光纤位移传感器 ( 反射补偿型) ，其量程为0 5 1 4 m m ，分辨率为3 0 n m 1 6g m 。 1 4本课题的主要研究内容 本课题主要进行以下几个方面的内容： ( 1 ) 光纤温度传感器特性分析和选取，确定基于比色法的辐射式光纤温 度测量方案。通过数学建模，对主要参数的影响进行论述。 ( 2 ) 对光纤位移传感器的特点和影响因素进行分析，建立反射光强度调 制的数学模型，并结合强度调制的补偿方法，设计合适的参数。 ( 3 ) 分析光传输系统所需光纤、光学器件以及探测器等元件的应用原理， 在保证测量可靠性及精度基础上，设计出系统结构。 ( 4 ) 设计单片机系统，以及它与计算机的通讯，使温度和位移的双通道 输出比值信号能够在计算机上显示，并在超过上、下限时报警。 ( 5 ) 对于建立的辐射式光纤测温和反射式光纤测位移实验方案进行实验 验证，检验实验模型是否与实际相符。 燕山大学工学硕七学位论文 第2 章光纤温度传感器原理及方案设计 2 1 光调制技术 无论是传感型还是传光型光纤传感器，都有一个敏感元件或传感臂，其 作用是：通过与待测对象的相互作用，将待测量的信息传递到光纤内的导光 波中，或将信息加载于光波之上。这个过程称为光纤中的光波的调制，简称 光调制。光波在光纤中传播可用如下方程表述 i = 厶c 0 s ( ，+ 咿) ( 2 - 1 ) 式中，。光波的振幅 频率 l f ，初始相位 由式( 2 - 1 ) 可知，光波只受5 个参数振幅厶，频率，波长k = c 叫2 7 r ， 相位( f + v ) 和偏振态的影响，所以按照调制的光波参数的不同，光调制可 分为：强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长( 颜色或光谱) 调制 等。同一种光调制技术，可以实现多种物理量的检测；检测同一个物理量也 可以利用多种光调制技术来实现【9 】。 本课题要实现涡轮机叶片温度和位移的测量，就是采用光纤温度传感器 和光纤位移传感器，其工作原理都是用温度和位移量的变化调制传输的光波 的某一参数( 波长和强度) ，使其随着被测量的变换而变化，再对己调制的光 信号进行检测，最终得到被测量。因此，光调制技术是光纤传输的核心技术。 2 1 - l强度调制 光强度调制型光纤传感器是根据测出的光强变化来获取被传感参量变 化的信息。光强度调制一般分为外调制和内调制两种形式。外调制时光纤只 起传光作用，光纤本身特性不变，调制过程发生在光纤以外的环节，属传光 型，实现光强调制的主要机制有透射、反射、吸收、荧光、折射率变化：内 调制过程发生在光纤内部，是通过光纤本身特性的改变来实现光强度的调 6 第2 章光纤温度传感器原理及方案设计 制，属传感型，实现光强调制的主要机制有微弯效应。 由于目前光探测器只对光强度敏感，需要将其它性质的调制光信号如相 位、频率调制信号等，转化为光强度信号，因此，光波强度检测又是其它大 多数检测的基础【l 】。 2 1 2 波长调制 所谓波长调制，主要是指传感头的光谱特性随外界物理量变化的效应， 利用外界因素改变光纤中光的波长，通过检测波长的变化来测量各种物理 量。波长调制技术比强度调制技术用得少，其原因是解调技术比较复杂，一 般需要分光仪，但是采用光学滤波或双波长检测技术后，可使解调技术简化。 波长调制技术的优点在于它对引起光纤或连接器损耗增加的某些器件的稳 定性不敏感【i 】。目前主要的应用方面有 ( 1 ) 热色效应：某些物质的光吸收谱强烈地随温度而变化，可作为温度 传感元件； ( 2 ) 黑体辐射效应：光纤中热点本身的黑体热辐射随温度变化而变化， 在高温传感中有广泛应用； ( 3 ) 荧光效应：某些荧光物质的荧光特点与温度关系密切，测量荧光特 性的变化可检测温度； ( 4 ) 透明度效应：某些化学指示剂，例如红酚的透明度在红光区对溶液 的p h 值很敏感，在绿光区却与p h 值无关。利用双色( 红、绿) 滤光器测量两 种颜色光强比值，给出溶液的p h 值，有时又称为光纤p h 探测技术。 本课题光纤温度测量系统就是利用波长调制中黑体辐射的原理，也是利 用强度调制，对高温的涡轮叶片进行温度检测。 2 2 光纤温度传感器的确定 2 2 1 光纤温度传感器的分类 光纤用于温度测量的机理与结构形式多种多样，基本上可分为两大类： 一类是传光型，它把光的强度( 吸收、热辐射) 、波长( 荧光) 等与温度有关的 7 燕山大学工学硕士学位论文 信息作为测量信号；另一类是传感型，它以光的相位、波长、强度( 干涉) 等 为测量信号。光纤传光型温度传感器通常使用电子式敏感器件，光纤仅为信 号的传输通道：传感型光纤传感器利用其本身具有的物理参数随温度变化的 特性检测温度，光纤本身为敏感元件。根据调制机理可分为强度调制、相位 调制、偏振态调制等。根据工作方式分为接触式和非接触式。根据温度测量 范围，又分为高温型( 5 0 0 2 0 0 0 ) ，中温型( 1 0 0 - - 6 0 0 ) ，常温型( 室温, - - 2 0 0 ) 和低温型i l 。 2 2 1 1光纤传光型温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器，其原理 是某些半导体材料( 女n g a a s ) 随温度不同对光能吸收程度不同，使得接收光强 发生变化。测量范围在1 0 3 0 0 ，属于接触式测量。基于热色效应的光纤 温度传感器，其主要针对无机溶液，测量范围约在室温至5 0 ，属于接触 式测量。荧光型光纤温度传感器，利用某些荧光物质荧光特性的变化可检测 温度，测量范围约在一3 0 - - 2 5 0 ，中低温有良好的精度，属于非接触测量。 辐射式光纤传感器是基于光纤被加热要引起热辐射的原理。热辐射的强度是 温度的函数，由于光纤材料的光谱工作范围限制，这种传感器适用范围在高 温区，属于非接触测量。 2 2 1 2 传感型光纤温度传感器虽然其温度灵敏度较高，但由于光纤本身 是敏感元件，光纤对温度以外的干扰如振动、应力等具有敏感性，使其工作 的稳定性和精度受到影响，尤其是对高速运转的旋转机械进行监测，其环境 干扰因素比较复杂。相比之下，虽然传光型光纤温度传感器的灵敏度较低， 但是技术上容易实现，抗干扰能力强，且结构简单，使得有利于与光纤位移 测量系统的结合。而且这其中辐射式光纤温度传感器的实用化技术已经达到 相当的水平。 2 2 2 光纤热辐射测温的特点 由于光纤辐射式测温是非接触测量，所以能够测量带电、高温、高压以 及高速行驶的物体，灵活性比较大，测温范围广。其特点具体有： ( 1 ) 反应速度快。它不需要与物体达到热平衡的过程，其反应时间主要 取决于电子线路、显示装置，测量时间一般为毫秒级至微秒级。 第2 章光纤温度传感器原理及方案设计 ( 2 ) 准确度高。不会影响被测物体的热学状态和运动状态，可测一些热 容量小的物体，测量准确度可达0 1 以内。 ( 3 ) 灵敏度高。因为被测物体的辐射能量与温度四次方成正比，物体温 度的微小变化会引起辐射能量较大的变化。 ( 4 ) 在危险场所或视野不好的条件下，利用光纤的直径细小和可接性进 行测试以及仅用光学系统就能构成检测端部等特点，因此做到耐热、小型、 易操作。 所以，本课题的温度测量系统选择辐射式光纤温度传感器及其相应的测 量电路。 2 2 3 光纤热辐射测温的影响因素 热辐射测量的温度与很多因素有关，主要有探头与温度表面的距离， 温度表面发射率的变化，背景辐射的影响和光路传输损失等。 合理选择测量距离是探头设计中应该考虑的问题。探头与温度表面的 距离应该满足温度计距离系数三玩的要求，其中是测量的距离，巩是视场 直径。距离系数的意义是，一定尺寸的被测对象进行测量时最长的测量距离 要保证目标充满温度计视场。实际应用中，一般目标直径为视场直径的 1 5 2 倍时，接收光纤可以接收到足够的辐射能量d o 。即对于本课题的测温 对象涡轮叶片，需保证要探测的涡轮面积至少为探头视场面积的1 5 也倍， 实际中涡轮叶片的直径多在几十厘米以上，而视场面积很小，直径约为毫米 至十几毫米级，所以可以满足此要求。 发射率与目标表面的租糙度有关，提高目标发射率可以减小发射率的 影响，或者通过比色法减小发射率的影响。 背景辐射包括杂散辐射、透射辐射和反射辐射，可以通过选择特定的 波长来减小这些背景辐射的影响，本课题就是采用了该法。 光路传输损失包括探头窗口吸收，光路阻挡，烟、尘、气的吸收，可 以加装吹净装置或窥视管，选择特定的工作波长来减小该损失。 以上因素都会增大温度测量的误差，差分信号或比值信号输入可以减 小这些因素对辐射式光纤测温的影响。 9 燕山大学工学硕士学位论文 2 3 辐射式光纤温度测量原理及方案选择 任何物体只要其本身及其周围的温度不是绝对零度，则物体本身会向周 围辐射热量，当与周围的温度相等时，辐射热过程处于动平衡状态。这是由 于物体内部的带电粒子随着温度的升高而被激励放射出不同波长的电磁波， 把热能以电磁波的形式向外辐射出去。物体的温度越高，粒子被激励的越强 烈，辐射的能量就越大。在辐射式温度测量中，通常采用的是可见光区和介 于0 7 6 m 2 0g m 之间的红外光区，其中红外光的热效应最好，因此热辐 射又称为红外辐射【1 5 】。 2 3 1辐射式光纤温度测量原理 辐射式光纤温度传感器是利用光纤内产生的热辐射来传感温度的一种 器件。不要光源，它以光纤纤芯中的热点本身所产生的黑体辐射现象为基础， 用以探测来自炽热的不透明物体表面的辐射，而光纤本身作为待测温度的黑 体腔。所以辐射式光纤温度传感器属于被动式温度测量( 即无需光源) ，其测 量原理是黑体辐射定律。对“理想黑体”，辐射源发射的光谱辐射能量可用 普朗克公式表示【l 】 m o o ，丁) = c 。2 - 5k 岛肛7 一i f l ( 2 2 ) 式中m 。( a ，丁) “黑体”光谱辐射出射度，单位是w 1 1 1 3 a 辐射的电磁波波长，单位是m z 热力学温度，单位是k c 。普朗克第一辐射常数，c ，= 3 7 4 1 8 x 1 0 - 1 6w m 2 c ，普朗克第二辐射常数，c ，= 1 4 3 8 8 x 1 0 m k 图2 1 是用m a t l a b 做出的黑体光谱辐射出射度波长a 与温度r 的曲线关系图， 它表现了在不同温度下，黑体光谱辐射出射度与波长的关系。 理想漫辐射体的面辐射强度是一个与方向无关的常数，这种理想漫辐射 体叫做朗伯辐射体，简称朗伯体1 2 1 ，朗伯体实际是不存在的，当辐射面元 的法线与辐射方向角度小于5 0 0 ，可视为朗伯体。由于t 0k ) ，都会以电磁波的形式发射一定 的热辐射能量，这种热辐射的量取决于该物质的温度及其材料的辐射系数。 辐射能力的大小与物体温度r ，物体材料的发射率有关。代入公式( 2 3 ) 得 m n ，r ) = 5 0 ，t ) c j2 - 5p c 2 加( 2 4 ) 式中m ( a ，r ) 波长a 下单位面积实际物体的物体在半球方向、单位时 间的辐射通量即光谱辐射出射度 s ( a ，丁) 实际物体在波长a 下的光谱发射率 1 1 燕山大学工学硕士学位论文 对于黑体s = l ：对于灰体，为常数，6 l ；而实际物体即选择性辐射体的 g ( a ，丁) 与被测物体温度和波长有关，( a ，t ) l 。对于金属，s ( a ，r ) 与温度 成正比；对于非金属，当温度低于3 5 0 k 时，s ( a ，t ) 与温度成反比。同时s ( a ，t ) 还与表面状态有关，所以温度变化，被测表面的污渍，伤痕等因素都会影响 要测量的s 仅，r ) 值的正确性【1 2 】。对于被测量的实际物体，可近似认为 s n ，t ) = s n ) s 仃)( 2 - 5 ) 2 3 2 辐射式光纤温度测量方案选择 光纤热辐射测温法主要分为全辐射测温法、亮度测温法和比色测温法。 2 3 2 1全辐射测温法根据所有波长范围内的总辐射而测温，则所测得的 温度是物体的全辐射温度z 。全辐射出射度即所有波长上的出射度，由斯忒 潘一波尔兹曼定律给出： m r = c 0 吖o ，r 协_ - - o r 盯t 4 ( 2 6 ) 式中o r 斯忒潘一波尔兹曼常数，仃= 5 7 1 0 。8w m 2 k 4 当被测物为黑体时，发射率s = 1 ，在一定温度下的全辐射出射度为图 2 1 中该温度曲线下的面积。由式( 2 6 ) 可知，只要测出物体的辐射出射度又 己知物体的发射率，则可求出温度丁。 在波长一定的情况下，探测到的辐射能不仅与物体的温度有关，还与发 射率有关。此外，物体发射出的辐射能在到达探测器的过程中，还有各种因 素造成的损失。因此接收到的辐射能并不真正是仅由物体表面温度决定的辐 射能。无论是亮温度、色温度，还是辐射温度，它们都不是物体表面的真实 温度t ，都只是表观温度，都与真实温度存在着一定差异5 1 。 对于全辐射测温法，根据公式 s 叮t 4 = 仃f( 2 7 ) 则全辐射温度正与真实温度t 的相对误差表示为 i 竿l = 1 钭* 叫 p s ， 由上式可知，全辐射温度r 的误差主要来自发射率s 的影响，发射率s 第2 章光纤温度传感器原理及方案设计 的修正主要采用一些经验值，或者专门设计部分光路来测量发射率s ，这种 方法若应用在本课题会使系统结构复杂，而且引进新的器件会增加器件漂移 误差，所以应该尽量避免发射率的直接测量。而且经过大气传输，空气中 水汽等物质会吸收辐射能量，灰尘粒子造成散射等，都会影响辐射能的接收， 光学零件中的透镜、滤光片等也对波长具有选择性，因此探测器并不能接收 全部波长的辐射【1 7 】。 2 3 2 2 亮度测温法只根据某一个特征波段上( 一_ ia 2 ， + 去旯) 的辐 二二 射而测温，则测得的是物体的亮温度瓦。黑体辐射出射度“，瓦) 与被测 对象在同一波段内的辐射出射度气m ( z 。，r ) 相等，即 m 魄，瓦) = 气m ( z ，t ) ( 2 9 ) 式中 s 。 波段内的平均光谱发射率 把式( 2 3 ) 的入式( 2 9 ) ，得c 1 p q 7 = s c i - 5e - c 2 7 v ，化简后得 当：竺垒：三一三 ( 2 - 1 0 ) c 2 7 ? ； 则亮温度l 与真实温度t 的相对误差表示为 俐= j t 一面靠l _ l 半i ( 2 - 1 1 ) 由式( 2 1 1 ) 可知，亮度测温法的误差与亮温度瓦，选取的单色波长 ，以及 平均光谱发射率 有关。也要事先已知，直接采用，不利于精度提高。 2 3 2 3比色测温法根据2 个或更多特征波段上的辐射而测温，则测得的 是物体的色温度疋。色温是指黑体在温度瓦下，其窄波段从，和厶内辐射 亮度之比与被测物体在这两个波段内辐射亮度相等，辐射亮度可用辐射出射 度代替表示为 嚣豁t = 黝 s l m 协2 ，j 彪n 2 ，疋) 、 7 式中，气和。为她和从：波段内的平均光谱发射率。把式( 2 - 3 ) 的入式 燕山大学工学硕士学位论文 ( 2 1 2 ) ，可得到与t 的关系式 描= 掣萧掣 p 云一亍2 石丙矿 u 叫 则色温度疋与真实温度t 的相对误差表示为 俐- | 毪斜 ( 2 - 1 4 ) 由式( 2 1 4 ) g 知，当；和s ，相近时，色温度与真实温度t 的相对误差可以 近似为零。所以减小误差的关键在于波长允，和厶的选取，使；= s 。同时， 在比色测温法中，求出两个被测信号的比值，能消除光纤传输损耗的变化对 测量结果的影响，使得来自外界环境的干扰对比值的影响远比直接测量的影 响要小，而且由于信号来自同一个光源，所以还可以消除光源漂移对测量结 果造成的影响州。 综合以上辐射式光纤测温三种方法误差的分析，由于全辐射测温法和亮 度测温法都受发射率影响比较大，而发射率s 受被测物体的表面状况、材 料性质、温度、辐射波长以及辐射角度等因素的影响，是一个较难确定的量， 比色测温法就是通过两个波段能量的比值，消除发射率的影响，所以本文 采用了基于比色法的辐射式光纤温度测量方案，而且采用双光路的方式可以 减少光源温漂的影响。 2 3 3基于比色测温法的数学模型及参数确定 基于比色测温法的辐射式光纤温度测量系统结构如图2 2 所示，它主要 由光路部分和电路部分组成f 1 9 】。辐射体涡轮叶片的辐射能由光学透镜耦合 进入光纤，再经过光纤传输，在远端被分路器( 选用光纤耦合器) 分成两路， 经过滤光片的滤波到达探测器，实现光电转换，然后经过单片机的信号处理 系统，这其中包括信号放大、a d 转换、数字滤波以及用软件实现两路输出 信号除法运算 2 0 , 2 n 。 比色测温法就是根据被测物体在两个不同波长丑和a ，下的光谱辐射出 射度的比值与被测物体温度的关系，通过测量两者的比值从而测量到被测温 度的。根据式( 2 3 ) ，同一物体在波长分别为丑和a ，下的光谱辐射出射度的 1 4 第2 章光纤温度传感器原理及方案设计 。一 一一一一一一一一一一一一一一ir 一一一一一一一一一一一一一一 ! ! p i n - f e t l 3 1 e 电转换 i光路部分if电路部分 l l jl j f i g 2 - 2 s t r u c t u r eo f c o l o r i m e n ym e a s u r e m e n ts y s t e m 比值为 嬲= 筹鞣筹 p 瑚 m n ：，丁)( 如，r ) c 1 巧p _ c ：胁7 ”7 上式整理后得到被测表面温度t 为 c ：f 丢一1 卜瑶瓣 q - 1 6 ) m ，丁弦“，r ) 。 其中，光谱发射率s ( ，r ) 和，丁) 的比值可根据式( 2 5 ) 得到 艄= 裂器= 裂 口 由上式可知，在比色测温法中，s n 。r ) s ( 儿，丁) 仅是关于a 的函数，而 且a 的微小变化对以) 影响很小。因为涡轮叶片为金属，可以考察类似材料 常见的铁在0 7 1 0 岬范围内的光谱发射率与波长的经验关系式表示为： n ) = o 7 5 5 0 9 7 1a + o 9 3 2 3a 2 o 3 3 7 牙，可见尽管实际的物体为选择性吸收 体，各波长处的发射率并不相同，只要适当地选取两个波长九和九，比如 选择比较相近的丑和a ：，使得以。) 和( 九)