光纤激光在金属细丝热敏电阻时间常数测量中的应用.doc

光纤激光在金属细丝热敏电阻时间常数测量中的应用收稿日期：2015- ；修订日期：2015-* 基金项目：国家重点实验室基金课题(SKLLIM1405) 作者简介：赵军卫(1969)，男，硕士，高级工程师，主要从事大气光学参数测量技术研究。Email：1489587741赵军卫，封双连，张志刚，强希文，宗飞，冯刚，胡月宏(西北核技术研究所，西安710024) 摘要：在大气光学领域，金属细丝热敏电阻在大气折射率结构常数测量方面发挥着重要作用。本文介绍了金属细丝热敏电阻时间常数的测量原理，利用波长为1.07mm的光纤激光器产生的跳变沿为几十ms、脉宽为100ms的矩形激光脉冲，辐照待测金属细丝表面，当热敏电阻温度平衡时，关断激光，利用激光脉冲下跳沿作为激励，测量热敏电阻温度恢复至室温的温度响应曲线，设计并建立了测量装置，通过实验，获得了三种常用金属丝热敏电阻的时间常数。关键词：光纤激光；时间常数；热敏电阻；大气折射率结构常数 中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号：Application of Fiber Laser in Time ConstantMeasurement of Thin Wire Thermal ResistorZhao Junwei, Feng Shuanglian, Zhang Zhigang, Qiang Xiwen, Zong Fei, Feng Gang, Hu Yuehong(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xian 710024)Abstract：Thin wire thermal resistor plays a very important role in measurement of atmospheric refractive index structure constant in atmospheric optics. Measuring principle of the thin wire thermal resistor time constant was put forward. An 1.07mm fiber laser was used to output a rectangle laser pulse with pulse edges of several tens microns and width of 100ms, and the thermal resistor under test was irradiated by the laser. As a result, the temperature of the thermal resistor rose and gradually went up to a fixed level with the irradiation. And then the thermal resistors temperature dropped and gradually went down to the room temperature with the laser powered off. Time constant of the thermal resistor could be obtained by means of measuring the temperature variation of the thermal resistor due to the laser pulse. A device was designed and experiments were carried out, the time constants of three commonly used thin wire thermal resistors were measured.Key words: fiber laser; time constant; thermal resistor; atmospheric refractive index structure constant0引言金属细丝热敏电阻主要应用于对温度精确快速测量的领域，尤其在大气折射率结构常数测量方面1-5，其最小的温度分辨率可达0.002C，最高响应频率可达百Hz以上。热敏电阻时间常数对于大气折射率结构常数测量具有重要意义。常用温度传感器的时间常数测量，通常采用电加热6、恒温槽7,8或风洞9来产生一个温度的跳变，其缺点是产生的阶跃温度跳变沿较慢、实验费用较高、测量不确定度较大，只适用于响应速度较慢的温度传感器时间常数测量。对于时间常数为毫秒甚至亚毫秒量级的热敏电阻，其时间常数测量目前尚没有成熟的设备或装置。 由于激光能够在微秒或纳秒内使材料表面产生瞬时温升,可以将激光作为对传感器加热的热源应用在温度传感器时间常数测量实验中。波长为1.07mm的光纤激光器输出功率高达2kW，即可连续输出，又可脉冲输出，输出脉宽可调范围宽至s级，而且其波长处于近红外波段，便于采用InGaAs PIN光电二极管对输出激光进行快速实时监测，其最大优点在于输出激光脉冲跳变沿陡峭，约几十ms，特别适用于对快响应的温度传感器和光电传感器时间常数进行测量。本文利用光纤激光器建立了一套应用于金属细丝热敏电阻时间常数测量的装置，通过产生具有快速跳变沿的高能恒功率单次激光脉冲，经准直、匀化扩束后辐照金属细丝热敏电阻表面，使得热敏电阻升温后达到热平衡，然后利用激光脉冲的下跳沿引起的降温过程来测量金属细丝热敏电阻的热时间常数，具有较高的测量精度，适用于响应时间为ms级的热敏电阻时间常数测量。1时间常数测量基本原理：对于温度传感器的动态响应问题，假设可以忽略传感器内部温度分布，忽略传感器的导热和辐射热交换，传感器的热能平衡方程为7,10 （1）式中，t为温度传感器的时间常数，t= rVCpaA; Tg 和Tj分别为介质与传感器的温度; a为对流换热系数; r,V, Cp,A分别为传感器的密度、体积、定压比热和表面积.时间常数t由下列诸多因素决定:1) 传感器材料、比热Cp，密度r;2) 传感器体积V和换热表面积A;3) 被测介质对流换热系数a。对于初始条件t=0时，Tj=Tj0，对式（1）解方程可得到： （2）这正好是正阶跃温度激励下热敏电阻的温度响应，如图1所示。传感器温度随时间呈指数规律上升，当t，温度达到平衡状态。图1 正阶跃温度激励响应曲线Fig.1 Step response to upward temperature对于负阶跃温度激励，热敏电阻的温度响应可以表示为： （3）传感器温度随时间呈指数规律下降，当t，温度达到平衡状态，如图2所示。 温度传感器时间常数t 定义为传感器在受到阶跃温度激励时，其温度变化幅度达到全额温度变化幅度的63.2%所需的时间，如图1、图2所示, t 越小，响应曲线越接近于阶跃曲线，所以时间常数t 是反映传感器动态响应快慢的关键参数。图2 负阶跃温度激励响应曲线Fig.1 Step response to downward temperature 因此，温度传感器时间常数的测量可以归结为，在阶跃温度激励下，对温度传感器的温度变化曲线进行实时监测，通过测量其温度从初始值开始达到温度总变化幅度的63.2%所经历的时间，即为该温度传感器在该测量条件下的时间常数。如前所述，温度传感器的时间常数不仅与其自身的比热、体积等相关，而且与其周围环境介质的对流换热情况也相关。2测量实验装置如图3所示，由激光器1产生具有快速跳变沿的矩形激光脉冲，经过光纤准直器2输出平行光，然后通过光束匀化扩束器3，如微透镜阵列后在一定距离处形成一个均匀光斑5，侧面接收辐照的金属细丝热敏电阻4可以完全置于均匀光斑内，一部分激光用于加热热敏电阻，其余大部分激光射向石墨吸收屏6，石墨吸收屏吸收绝大部分激光，同时从石墨吸收屏表面散射的部分杂散光被快响应光伏探测器7接收，通过高速光伏放大器9转换为电压信号，用于实时监测激光脉冲。从金属细丝热敏电阻输出的表征温度变化的阻值信号通过光导放大器8转换为倒相的电压信号，用于测量金属细丝热敏电阻的时间常数。该方法与装置的优点：1）非插入式，测量过程中，温度传感器不会像恒温浴槽那样在未加保护时易被恒温介质污染，加保护后对测量精度又有影响，因此对温度传感器的封装没有限制；2）光纤激光器恒功率出光的功率和时间宽度在很大范围内可调，操作方便；3）输出的激光功率高，达千瓦级，跳变沿陡峭，达几十微秒，因此测量精度高、速度快，适用于对热时间常数为毫秒或亚毫秒传感器时间常数进行测量。图3 时间常数测量原理框图Fig.3 Sketch of time constant measurement1、 光纤激光器；2、 光纤准直器，用于把激光器输出的光准直成平行光输出；3、 光束匀化扩束器，如微透镜阵列(MLA)；4、 侧面接收辐照的金属细丝热敏电阻；5、 可完全包容金属细丝的均匀光斑；6、 石墨吸收屏；7、 实时探测散射激光的光伏型快响应光电探测器；8、 用于把金属细丝热敏电阻由温度变化产生的电阻阻值变化转变为电压的光导放大器（PCA）；9、 用于把光伏型快响应光电探测器产生的光电流转换为电压的光伏放大器（PVA）；10、双通道数据采集器。3 测量实验 在大气光学领域，用于大气折射率结构常数测量的金属细丝热敏电阻传感器，主要由极细的圆柱状铂丝或钨丝制成，通常直径为mm或几十mm量级。本文被测的细丝传感器分别为直径20mm的铂丝和直径分别为10mm和8mm的钨丝，长度均为2cm。如图4所示。主要包括：用于温度传感的金属细丝11、支撑铜丝12、电路接线板14。电路接线板上有两条敷铜膜15，在敷铜膜的上端各有一个焊盘13用于焊接支撑铜丝，敷铜膜的下端各有两个焊盘，用于焊接输出线。测量过程中，仅把金属细丝置于均匀光斑内，侧面接收激光辐照，其余部分在光斑外，电路板通过导线与光导放大器PCA（如图6所示）连接，光导放大器对温度信号进行了倒相放大，用于测量金属细丝的温度变化。激光器采用输出功率最高达2kW的光纤激光器，输出波长1.07mm，通过光纤准直器输出平行的矩形激光脉冲，前后沿小于50ms，脉宽100ms可调。光束匀化扩束器，采用方形微透镜阵列MLA，尺寸为10mm10mm1.2mm，对激光光束进行匀化和扩束，在距离1m处形成一个边长约3cm的方形光斑。图4 金属细丝热敏电阻Fig.4 Thin wire thermal resistor用于测量光脉冲信号的光伏放大器PVA如图5所示，由快响应的InGaAs PIN 光电二极管接收来自石墨屏的散射光，把光信号变为电流信号，在电阻R1上产生电压。运算放大器CA314011构成跟随器，频带宽度为4.5MHz，配合带宽最高为数GHz的快响应的InGaAs PIN 光电二极管12，满足对ms级跳变沿信号的测量需要。输出与PIN接收光功率呈正比的电压信号VO1。用来实时监测激光脉冲的变化。图5用于监测光脉冲信号的光伏放大器PVAFig.5 Photo-voltage amplifier for monitoring laser pulse用于测量热敏电阻温度变化的光导放大器PCA如图6所示，主要由惠斯登电桥和仪表放大器AD620组成，其中R3为置于方形光斑中的金属细丝热敏电阻，在出光前，调节PR1电位器使得仪表放大器AD620的两个输入端电压VA=VB，此时输出电压VO2=0V，表明电桥处于平衡状态。出光后，随着热敏电阻被激光辐照，其温度逐渐上升，热敏电阻阻值升高，则电桥平衡被打破，仪表放大器反相输入端电压VA大于同相输入端电压VB，仪表放大器对二输入端电压的差值VB-VA进行放大，由VO2输出。注意：这里VO2的电压随热敏电阻的温度呈线性变化，而且方向相反。根据AD620资料13可知，当增益G=100时，其增益带宽为120kHz,建立时间为15ms，完全满足对ms级温度响应测量的需要。图6 用于测量温度变化的光导放大器PCAFig.6 Photo-conductance amplifier for measuring temperature variance 双通道数据采集器，采用立科公司生产的四通道数字示波器，使用其中的通道C1 采集并显示实时激光监测波形，通道C2用于采集并显示金属细丝的温度变化波形。其中通道C1矩形脉冲上升沿表示激光出光的过程，对应通道C2的下降沿表示金属细丝受激光辐照温度上升的过程；通道C1矩形脉冲下降沿表示激光脉冲停止出光的过程，对应通道C2的上升沿表示金属细丝温度下降的过程。由于激光脉冲关断过程更快，而且实验室室温非常稳定，便于测量，因此采用激光脉冲持续约100ms，金属细丝温度稳定后，关断激光产生的下跳沿作为激励，对应通道C2的上升沿，测量其幅度变化的63.2%所需要的时间，即可获得被测金属细丝热敏电阻的热时间常数t。图79给出了三种常用的长度2cm细丝热敏电阻在实验室（风速为0m/s）测量的波形。图7 直径20mm铂丝的温度响应曲线Fig.7 Temperature response curve for Pt wire with diameter of 20mm 图8 直径10mm钨丝的温度响应曲线Fig.8 Temperature response curve for tungsten wire with diameter of 10mm 图9直径8mm钨丝的温度响应曲线Fig.9 Temperature response curve for tungsten wire with diameter of 10mm 根据图79所示的温度响应曲线，可以通过计算机判读，获得在激光下跳沿激励下，金属细丝热敏电阻温度下降到总幅度63.2%所经历的时间，即时间常数t，如表1所示。表1 三种金属细丝热敏电阻时间常数测量结果Tab.1 Time constant results of three thin wire thermal resistors金属细丝热敏电阻时间常数t/ms直径/mm长度/cm材料202铂9.8102钨6.382钨5.64 结论 金属细丝热敏电阻在大气折射率结构常数测量方面发挥着重要作用。本文通过1.07mm光纤激光器产生矩形脉冲信号，并对激光进行整形、匀化、扩束后，辐照热敏电阻表面，在光热作用下加热热敏电阻，当热敏电阻温度达到稳定后，关断激光，以激光脉冲下跳沿作为激励，测量热敏电阻温度恢复至室温的过程，最终获得金属细丝热敏电阻的时间常数。由于光纤激光脉冲陡峭，前后沿小于50ms，因此特别适合用于快响应温度传感器时间常数测量。 以上测量是在风速为0m/s 的条件下完成的，当热敏电阻用于野外实际应用环境时，随着风速变大，热时间常数将会相应变短。通过对温度传感器吹风，并实时监测风速变化，可以测量不同风速下热敏电阻的动态性能。通过调整激光出光参数，该测量方法与装置同样可用于对光导传感器时间常数的测量。参考文献1 Beland R R. 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