特殊环境下的温度测试(光纤测温)

特殊环境下的高温测试技术 报告人 王高副教授单位 中北大学测试技术研究所联系电话中北大学 2 光纤测温 中北大学 3 光纤测温 光纤温度传感器1 采用光纤作为敏感元件或能量传输介质而构成的新型测温仪表 它有接触式和非接触式等多种型式2 特点 灵敏度高电绝缘性能好 可适用于强烈电磁干扰 强辐射的恶劣环境体积小 重量轻 可弯曲可实现不带电的全光型探头等 光纤之父 高锟 中北大学 4 非接触式光纤测温 接触式光纤测温 黑体腔光纤传感器 光纤测温 中北大学 5 耐高温光纤黑体腔制备 激光加热基座法晶纤生长示意图 高温光纤特点 物理化学性能稳定 熔点高 强度大 热膨胀小 导热性好 具有很好的光传输特性 典型耐高温光纤 蓝宝石单晶光纤 氧化锆单晶光纤 光纤测温 中北大学 6 1 镀层2 蓝宝石光纤 光纤黑体腔 单晶光纤 氧化锆粉末 黑体腔镀膜原理 镀膜 碳化硅粉末 镀膜材料 光纤测温 中北大学 7 黑体腔镀膜工艺 1磁控溅射 两大特点 沉积速率比化学气相沉积法 CVD 高出一个数量级 所需气压不高 成膜粘附性好 光纤测温 中北大学 8 2等离子体喷涂 原理 等离子弧通常靠高频放电火花引燃 粉末形式的喷涂材料由惰性气体携带注入射流后 射流将其加速 加热到熔化或半熔化状态 喷射到基体的表面 飞行的高温粒子因冲击变形以及随后的快速凝固和冷却 成为激冷薄片 粘附在经过处理的基体表面上 这些激冷薄片的不断堆积形成了层状结构涂层 等离子体热喷涂工艺原理 特点 等离子射流具有高焓 高温和高速等能量特征 最难熔的材料 如碳化钽 熔点为3875 也能在等离子射流中熔化并喷涂成形 等离子弧温度高 可熔化目前已知的任何固体材料 喷射出的微粒速度快 温度高 形成的喷射涂层质量好 结合强度高 光纤测温 中北大学 9 蓝宝石黑体腔光纤传感器测温原理 根据普朗克定律 黑体单色辐射能力与波长和温度的关系 式中C1为第一辐射常数 C2为第二辐射常数 T为黑体的热力学温度 在温度T 1 普朗克定律可以由维恩近似公式代替 原理 蓝宝石光纤传感器 光纤测温 中北大学 10 蓝宝石光纤传感器温度测试系统 光纤测温 中北大学 11 光纤传感器性能测试 响应时间测试装置 采用阶跃上升的高功率CO2激光束经反射镜后聚焦到涂敷蓝宝石黑体腔温度传感头上 成为周期性的热信号 感温介质膜层吸收CO2激光束能量产生热辐射 用示波器记录窄带光电探测器的输出 其输出温度电压信号随阶跃激光信号变化而变化 得出传感器的时间相应性能 蓝宝石光纤传感器响应时间波形图 20 0ms 光纤测温 中北大学 12 某导弹发射箱前框表面温度测量 1465 56 光纤传感器瞬态表面测温 火箭发动机温度 时间曲线 1900 56 导弹发射瞬间 光纤测温 中北大学 13 光纤传感器飞机发动机总温测量 中国J 20战斗机 太行发动机 T0 总温 单位为K T 静温 单位为K k 常数 总温与静温 光纤测温 中北大学 14 几种典型的总温热电偶结构示意图 1 滞止罩 2 气流进口 3 热电偶热端 4 排气口 5 热电偶套管 光纤测温 中北大学 15 传感器附近局部温度分布图 流体域模型 光纤测温 中北大学 16 反射光波波长与栅距 的关系 式中neff为光栅的等效折射率 当光栅插入温度场时 引起 或neff变化 从而调制反射光波波长 同时 由于热膨胀也引起栅距的变化 不考虑波导效应 光纤光栅具有以下温度响应特性 其中 为光纤的热膨胀系数 为光纤光栅的热光系数 所以 光纤光栅波长的变化与环境温度的变化呈线性变化关系 光纤光栅测温 光纤测温 中北大学 17 分布式光纤测温 分布式光纤测温系统是近年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统 它是一种分布式的 连续的功能型光纤测温技术 其中光纤既是传输介质也是传感介质 利用光纤后向拉曼散射的温度效应 可以对光纤所在的温度场进行实时的测量 利用光时域反射技术可以对测量点进行精确定位 分布式的结构使得该系统能够实现实时快速多点测温 目前仅能对300 C以下的温度进行测量 分布式光纤温度传感器系统结构图 光纤测温 光纤测温 中北大学 19 钨基超声波导高温测量技术原理是用区截测速方法测量脉冲超声在钨基声波导声速 而声波在固体的传播速度与温度有对应的关系 进而得到介质的温度 固体温度与传播时间的关系 超声波导高温测量技术 中北大学 20 核反应锥 超声波导高温测量技术 近几年 随着电子计算机的高速发展 利用数字图像处理技术重建温度场成为可能 即利用CCD相机获取视频信号 经过图像量化处理后送入计算机 再由计算机进行相应的处理 最后获得温度分布的相关信息 这种方法已经广泛的应用于燃料加热炉的火焰温度场测量中 激光辐射有着高度的单色性和相干性 因此激光器是一种十分理想的相干源 随着激光技术的发展 利用激光干涉或光谱进行温度测量的技术也得到了很快的发展 示温漆测温是利用其在不同的温度下 颜色发生变化来实现物体表面温度测量及温度分布测量的 其它测温技术 高速相机测温 激光干涉测温 示温漆测温 反斯托克斯法测温 CARS是一种基于拉曼散射的非线性光学效应 当单色光入射到介质时 散射光中除了包括频率与入射光相同的瑞利光之外 还包括拉曼散射光 频率低的称为斯托克斯线 频