光纤黑体腔高温传感器感温腔体的ANSYS分析.doc

光纤黑体腔高温传感器感温腔体的ANSYS分析 A n a ly s i s of ANSYSf o r theS e n si n g Cavity of Bl a c k b o d yBased H i g h-T e m pe r a t u r e F i b e rS e n s o r*HU Zh a n gz ho n g，WA NG Kai，SHEN Yi xi n，WA NG Mi n g*，MA Xi n，H UA NG Ha o f e i(K ey Laboratoryon Op to-E l ec tr o n i c T ec hn o l o gy ofJ i a n g s u P r ov i n ce，N a n j i n g N o r m a l Un i v e r si ty，N a n ji ng210023，C h i na)A bs tr a c t:To i m pr ov e the performance of the s e n si ng c a v i t y ofhig h-t e m pe r a tu r e sensorbased onb l a c k b o d y r a d i a t i o n，and makethe c a v i t y c l o s eto an i d ea lb lack bo dy，t h e c o m pu t a t io n forthe c a v i t y e ff e c t i v e e m i ss i v i t yi si m p li e dB as e d on the ANSYS t h e r m a l r a d i a t io na na ly si s of f i ni t e-e le m e nt method，the affectfactors of the e ff e c t i v e em i ss i v i t yi n cl u-d i ng the bottoms ha pe，t em pe ra tu r e，le ngt h，m at e r i a lapparent em i ss i v i t y，n o n-i so t h e r ma ld i s tr i bu t io nof thec a v i t y a r e disc uss e d anda na ly ze dThe datashows that the e ff ec t i v e em i ss i vi tyi nc rea s e sw i t h the lengt h ofc avitybut theree xist sa saturatedv a l ueM ea n wh ilethee ff ec t i v eem i ssivity sli d esdown app r o xi mat e ly li n ear lya lo ngw it hthe degreeofno n-iso t herma lC om prehen sive ly，thr ou ghtheresul ts，theo p t ima l s tru ctu ra l parametersofthecavitycan beo btai n edand itmakes a di ff erenc ein fa br i cat ionand impr ovem enton a u racy，resol ut ion，s en sit ivityofthe sensorK ey word s:op t i cal sensor;b lackbody ra diation;finit e-e lement;effectiveem i ssivity EEACC:7230E doi:103969/ji ssn10041699xx12004分析*光纤黑体腔高温传感器感温腔体的AN S Y S鸣*，马胡章中，王凯，沈宜昕，王鑫，黄浩斐(南京师范大学物理科学与技术学院，江苏省光电技术重点实验室，南京210023)摘要:为了提高光纤黑体腔式高温传感器感温腔体的辐射性能，使腔体接近于理想黑体辐射状态，计算了腔体的有效发射率。 基于ANSYS有限元方法对感温腔进行热辐射分析，讨论了腔底的形状、腔体温度、腔长、材料表面发射率、腔体的不等温分布对有效发射率的影响关系。 结果表明，有效发射率会随着腔长的增加而增大，但会存在一个饱和值。 同时当腔体处于非等温时，有效发射率随非等温程度近似呈直线下滑。 综合分析结果，可以得出感温腔的优化构造参数，对传感器的制作以及提高传感器的测温准确性、分辨力和灵敏度有指导意义。 关键词:光纤传感器;黑体辐射;有限元;有效发射率:T P2121:A:10041699 (xx)12160605高温的测量在工业生产领域十分常见，通常采用的方法有热电偶、红外辐射测温等方法1。 高温下热电偶材料物化特性不稳定导致其不能长期、连续地测量温度。 而非接触式的红外测温虽然能有较高的测温上限，但其测量时必须知道热源的发射率情况，且易受背景辐射的干扰，测得的仅是热源表面的温度。 光纤黑体腔传感器利用蓝宝石光纤耐高温及良好的红外特性，细小的感温探头可与热源直接接触，可测流体及其内部的温度。 它采用石英光纤将温度信号传输至远离热源处处理显示，避免了高温工作环境及电磁干扰，适合于长期稳定地温度监测。 D ils最早通过在蓝宝石光纤的一端溅射一剑等人则利用涂覆陶瓷薄层经高温烧结形成感温黑体腔，提高了传感器的使用寿命3。 光纤黑体腔传感器的感温黑体腔的辐射特性对传感器的测温性能至关重要。 其有效发射率是反映腔体辐射特性的重要指标4，由于腔体不可能为理想黑体，对它的计算和分析很有必要。 精确测量有效发射率是比较困难的，一般对黑体腔有效发射率的计算多采用理论方法，如多重发射理论、积分方程法56、蒙特卡罗法79。 这些方法需要对腔体壁面的漫反射和漫发射特性作出某些假设，其计算过程复杂、速度慢难以用于多因素的分析10。 通过A N-SYS软件，采用有限元热辐射分析的方法对感温腔的有效发射率进行计算，无需考虑具体传热过程，能项目:江苏省科技厅产学研前瞻性联合研究项目(BYxx005):xx07修改日期:xx10第12期胡章中，王凯等:光纤黑体腔高温传感器感温腔体的ANSYS分析1607更方便全面地分析腔体构造诸多因素对有效发射率的影响，使腔体尽可能地接近理想黑体腔，得出腔体结构的优化参数。 知热源的温度。 感温腔辐射出与热源温度相关的光信号并通过蓝宝石光纤及石英光纤送给后续的光电部分进行强度解调或者采用双波长解调法12。 光纤黑体腔高温传感器基本原理见图1，其中辐射信号耦合进入光电探测器(P D)转换为电信号，滤除PD引入的高频噪声，通过MCU采集放大后的信号并实时显示，同时可送给PC机记录存储。 1传感器结构与原理光纤黑体腔高温传感器温度敏感元件是探头前端的黑体腔11，其与高温热源直接接触，检测出黑体腔的辐射光通量即可得到黑体腔的温度，从而得图1传感器系统示意图感温腔体是温度信号的，腔内表面高温辐射出信号与腔体温度的关系由S t efa n-B ol tz ma nn定律有4E(T)=ET A (1)式中E为感温腔全波长辐射通量，E是腔体的有效发射率，是B ol tz ma nn常数，=5668108W/(m2K4)，T是腔体的绝对温度，A是腔口的面积。 E反映了腔体与理想黑体腔的接近程度，一般有E1。 传感器对腔体温度信号采用光强度解调的方法，当E越大，腔体越接近于理想黑体，可供PD探测的光强就越大。 利用有限元方法对腔体进行辐射分析，得出合理的腔体构造参数，使E尽可能接近于1，提高腔体的辐射能力，可以提高传感器测温的分辨力和准确性。 图2腔体模型形状系数得到。 由面1到面2的形状系数表示为:面2接收到由面1发出的辐射量12= (3)F面1发出的辐射量采用ANSYS/M ec hani cal模块的AUX12辐射矩阵生成器生成辐射面间的形状系数矩阵，并将此矩阵作为超单元用于热分析。 有限元模型辐射面划分为多个单元，对于单元i与j，由AUX12计算出从辐射面A i到A j的形状系数为:感温腔有限元模型的建立由于蓝宝石光纤在红外波段对光的吸收系数小，透射率高，对于感温腔体的辐射接近透明，腔体可以简化成空腔的辐射。 对在光纤上制作出的腔体建立以下分析模型:腔体为腔口不带隔板的柱形腔，其半径为，腔长L，设想在距离腔口H处放置一与腔口相同大小的圆面作为探测器接收腔体壁面的热辐射，即=。 分别计算在当前腔体参数下探测面的辐射通量E a及腔体为理想黑体时探测面的辐射通量E b，则腔体的有效发射率2c o sicosj d A dA1F ij= (4)jiA iAi Aj2r式中i、j分别为单元i、j法向与i、j连线之间所夹角度，r为单元间距离，dA i、dA j为单元i、j的面积，A i、A j为辐射面的面积。 在A NSYS120PreprocessorM aterialM od els里设置腔体材料的表面发射率属性，利用M odeli ng菜单建立腔体实体模型，对腔体几何尺寸采用无量纲参数描述，其中腔体半径取为1。 感温腔可以视为E aE=E (2)b通常面与面之间的辐射热交换可以通过计算其传感技术学报c hina trans duc er sco m第27卷1608辐射接收面，单元类型选为S HE LL57，便于直接定义辐射面。 采用映射法划分网格，单元格大小根据需求来设定，太小则可能导致计算内存不够，太大则影响精确度，综合考虑设为02。 选中所有辐射面，用命令/PSYMB，ESYS，1查看辐射方向，腔体壁面和接收面的辐射方向应是正对着的，否则在Pre pr o-c ess orM odelingM ove/M odif ye ver seNormals内更改。 接收面不可能全部吸收腔壁的辐射，为保证能量守恒，定义一辐射面以外的节点以吸收多余辐射13。 进入adiationOpt再次设置辐射面的发射率，以及Stefan-B ol tz ma nn常数并选择3D模型与空间节点的编号。 由于接受面半径也为1，从接收面上可以完全看到壁面，选择非隐藏法计算形状系数，AUX12自动生成单元到单元间的形状系数辐射矩阵。 添加MATIX50单元，读入生成的辐射矩阵，对腔壁和接收面节点施加不同的温度载荷并选择稳态分析类型求解。 最后通过G eneral Post procea ctionS olu查看接收面上所有节点的辐射换热量，比对腔体材料表面发射率为1的标准黑体，利用式 (2)即可算出相应的腔体有效发射率。 分别计算在腔底的形状、腔体温度T、腔长L、腔体材料表面发射率、腔体的不等温分布T/L在不同取值下对E的影响，得到这些腔体参数的一组优化解。 E是辐射通量的比值，腔体尺寸不必按其实际大小，在以下讨论中L和H均取为的整数倍。 32腔体温度辐射通量是温度的函数，不同的腔体温度T可能带来不同的E值。 分别对3组不同参数的腔体模型分析T对E的影响，T从400到1800每隔100取一个值。 从图3可以看出腔体温度对E影响不大，在较宽的温度范围内，对于各自的腔体模型，E基本稳定在某个值。 因此在静态测温时，只要腔体构造不发生变化，腔口对外的辐射通量就保持稳定，测量时无需修正发射率值。 此时，腔体辐射光谱可以看做相对理想黑体光谱作一个整体偏移，传感器可以根据普朗克辐射定律计算出各温度下的辐射通量，测温时根据探测到的光强值查表即可，简化了相关标定工作。 图3腔体温度对有效发射率的影响腔体材料表面发射率构成腔体壁面材料的表面发射率对的影33331结果与分析腔底形状分别计算腔底形状为半球形、45锥形、圆台型、E响较大。 取H=20，分别计算在腔长取424时对应的E与关系，T=1000，将数据绘制如图4所示。 椭圆型(光纤倾斜抛光)以及圆形(光纤垂直抛光)几种模型下的有效发射率E，腔体加载温度T=1000，探测面节点加载常温，=05，L=10，H=20。 计算结果如表1。 表1不同腔底形状的腔体有效发射率E腔体底面形状半球壳形45锥形圆台形椭圆形圆形096367909597990961623图4材料表面发射率对有效发射率的影响很明显，当越高时，E越大。 这表明在选择制作腔体的材料时除了要考虑热导率尽可能大的，其表面发射率须越大越好。 另外从图中可以看出，当腔长增加到足够长(L=16)时，对应的有效发射可见当腔体底面取椭圆形状时，其腔体的E值最大。 这是因为此时对于从腔外入射的光线经过腔壁反射更不易逸出腔体，相比更接近理想黑体。 考虑到对光纤的加工工艺，且腔底为圆形时E值已较高，腔底取圆形为宜，以下讨论均以圆柱形腔为例。 第12期胡章中，王凯等:光纤黑体腔高温传感器感温腔体的ANSYS分析1609率关系曲线已非常靠近，E已近乎不随腔长而变化。 为更清楚反映该问题，以下讨论了E与腔长之间的关系。 提高传感器准确性及响应速度至关重要。 对于提升腔长带来的E的增加和腔不等温的不利影响需折中考虑。 短的腔长有利于降低不等温效应，当越大时，可取得的最佳腔长就越短。 对于选择为03的腔体材料，图6(a)中可以看出L达到22时(即腔长径比为111)，E已增加至饱和，此时L取22即可。 同理，当为05时，L取20(腔长径比为101)即为最佳腔长。 35腔体不等温分布34腔体长度仍取H=20，在1000时E与腔长L的关系如图5所示。 4M(T)=ET (5)取微分形式得3d M=4ET dT (6)则有d M=4dT (7)M T图5腔体长度对有效发射率的影响图5表明，对于不同的，E总是先随腔长增加而增大，当L增加到一定值时，E变化缓慢，最终近乎不变。 列举=03及=05时的关系如图6所示。 过长的腔长会导致腔体内温度分布不均匀，同时腔体达等温状态时间过长，如果被测温度变化较快，传感器跟随测温将出现迟滞，选择合适的腔长对可见温度的变化将引起4倍的黑体腔辐射的变化，不均匀的温度将直接使E发生变化，影响传感器测温的准确性。 因为腔体直径较小(只有数百微米)，且腔长值相对较大，轴向的温度梯度远比径向的大。 为了简化分析，我们以1000为参考温度，对=05，L=10，H=20的腔体模型进行计算，并假设腔内径向温度分布均匀，轴向温度呈不等分布，分布函数T a=1000ZT/L，以单位长度的温度变化T/L对E的影响为例。 从图7可见当T/L越大时，对E的影响越大，其下降越厉害，总体变化趋势近似为直线。 同时曲线的斜率值较大，可见不等温度分布会使E发生较大偏移。 图7腔体不等温分布对有效发射率的影响表2反映了在T/L不为0时E相对于等温时的具体偏移情况，当腔体的轴向温度梯度过大时会使E产生较大的负偏差，这在实际测量时是需要极力避免的。 图6不同材料表面发射率下的最佳腔长传感技术学报c hina trans ducersco m第27卷1610表2不同温度分布下腔体有效发射率的偏差参考文献:T/L(/单位长度)EE偏差/%1张朝阳，朱永，梁波蓝宝石晶体高温传感技术研究J传感技术学报，xx，22 (9):12551260D ilsHigh-Temperature Op ticalFiber Therm ometerJJ ournal ofA pp li ed Ph y sic s，1983，54 (3):11981201郝晓剑瞬态表面高温测量与动态校准技术研究D太原:中北大学，xxL iu Dong，Duan Yuanyuan，Yang ZhenI nt egrated Effective E mis-i it CttifN Ith l NAitiC iti01020304051030501000962106096105809600100958963095791509528510932769091338508675020100020903170426053510612345张华，谢植钢水连续测温传感器的准确度提高和结构优化J计量学报，xx，29 (1):38416张华，孟红记，次项，等复合测温传感器的积分发射率研究J传感技术学报，xx，17 (1):110113obert JP ahl，M ark A