基于蓝宝石光纤传感器的瞬态高温测试及校准技术.

1、基于蓝宝石光纤传感器的瞬态高温测试及校准技术3王咼3,徐兆勇，周汉昌（中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051摘要:构建了一种镀有陶瓷薄膜的蓝宝石光纤为传感器的瞬态高温测试系统。系统包括蓝宝石高温光纤、锥形高温光纤、耦合器、传输光纤及光电探测器件。基 于Plank黑体辐射定律,分析了系统工作原理,并以MA TL AB进行了仿真研究。将已标定过的高温钨铼热电偶（测温度范围为10002000 C和蓝宝石光纤温度传感器同时置于乙炔焰热源所形成的恒温区域中进行静态标 定,结果表明，测量范围从1200C到2000C ,测量不确定度（精度为C。以脉冲CO 2激光器输出阶跃热 信号为

2、动态激励源，获得温度传感器的动态响应曲线，其时间响应达30ms ,并且重复性非常好明，高温测试范围可达2000C,行测试。关键词:蓝宝石光纤；瞬态高温；传感器；中图分类号：TN2472（ 0420441203T Measureme nt B ased on S app hire Fiber Sen sor and C T ech no logyWAN G Gao 3, XU Zhao 2yo ng , ZHOU Han 2cha ng(Key Laboratory of In strume ntatio n Scie nee &Dyn amic Measureme nt EMC Nor

3、thUn iversity of Chi na , Sha nxi Taiyuan 030051,Chi naAbstract :This no vel tran sie nt high temp erature measureme nt system con sists of the sap 2p hire high temp erature fiber sen sor ,ta p er high temp erature fiber ,co up ler ,tra nsmissi on fi 2ber and p hoto 2detector. The work ing principle

4、 wasan alyzed accord ing to the Plank's law of blackbody radiati on and simulati on was performed with the MAT LAB software. The static calibrati on was achieved by placing the calibrated high temp erature W 2Re thermoco uple and this no vel sen sor to gether into the steady high temp erature re

5、gi on of oxyacetyle ne flame. Calibrati on results in dicate that temp erature measureme nt range is 120Dto 2000°C and the un certa in of 1%ca n be achieved ,and the dyn amic res pondent time is less tha n 30ms. The exp erime nt of test ing the movi ng oxyacetyle ne flame shows that this sen so

6、r can be used to measure the tran sie nt high temp erature up to 2000K ey w ords :sa pp hire fiber ; tran sie nt high temp erature ; sen sor ; static calibratio n ;dyn amic p erforma nee ; re spondent time兵器及国防工业等诸多行业涉及燃烧和爆炸过程的研究，这些过程异常复杂，温度持续时间短，各种传统技术很难奏效。上世纪6070年代发展的辐射测温技术具有能测量运动物体和不破坏被1。测对象的温度场等

7、特点，许多研究机构对此进行了研究并开发了相应的产品光电子？激光第16卷第4期 2005年4月J ournal of Optoelect ronics? L aserVol. 16No. 4 Apr. 20053收稿日期:2004211208 修订日期:2005201218 3 E 2m ail :gxx . cn美国Vanzette公司首先研制了带光导纤维探头的辐射温度计。R. R. Dils 2介绍了一种用蓝宝石光导棒温度传感器测量高温的方法。尽管已经有商品，但价格昂贵，测温范围低，不能满足瞬态温度测试的要求3。国内也开展了光纤高温传感器的研究。清华大学周炳琨等人4于1989年

8、研制了光纤黑体腔温度传感器。浙江大学沈永行等人采用高发射率的陶瓷高温烧结形成微型 蓝宝石黑体腔光纤传感器,静态测温范围为5001800C,测温精度优于±）. 2%,已基于有少量应用5,6。但国内研究多集中在静态高温测试，动态、瞬态较少。Plank黑体辐射定律，以烧结有高温陶瓷的蓝宝石光纤为高温黑体传感器 ，构建了瞬 态高温测试系统，分析了系统的工作原理，介绍了系统的动态标定、动态性能测试原 理并进行了测试，给出了运动乙炔焰的温度测试结果。2系统介绍1ST连接器与石英锥形光纤相连，通过耦合器再连接到普通石英光纤经长距离传输后接到光电探测器。石英锥形光纤的规格为90（200mm ,长度为

9、5 10m ,光纤外表带有耐高温的金属扩套以抗高温烧蚀，采用锥形光纤是为了提高传感器输出信号的传输耦合效率。普通石英光纤的规格为200mm，光纤外表为聚合 物，长度可根据现场环境情况选取（可达数102m ,远离恶劣的测试环境。耦合器内装有干涉滤光片（中心波长为820mm ,带宽为20nm。光电探测器的输出信号可接示波器或111'数据采集装置。图1系统原理框图Fig. 1 B lock diagram of system principle3理论分析设根据Plank黑体辐射定律,光纤黑体腔置于温度为T的区域时，辐射光信号经光纤传入Si光探测器后输出的电压为V （入 0, T =入0+入/

10、2入0入/2 n （入f （入D （入£ A （入© （入，T d 入（1式中:n （入为光信号传输过程中光纤的传输损耗；f （为干涉滤光片的光谱响应函数；D （入 为光电探测器的光谱响应函数；£ A为传感头的单色发射率；入0为干涉滤光片的中心波长，入为带宽；© （入为光纤黑体腔单色辐射通量。当干涉滤光片的带宽很窄入=f （入0 ,代入式/（1=1得光电探测器的电压输出为V （入 0, T = n （入 0 f （入0+入12入0入 /2 © （入，T d入（2£ （入 0 , R （T =入0+入/2入0入 /2 © （入

11、，T d入（3则有V （0 （T （4 0nm ,入=10nm 当 T、1200、1400、1600、1800、2000和 2200 时，对 R （T /a 进行数值积分（如 a为光纤黑体腔表面积,得到不同温度下的R （T /a值。R （T /a 2T曲线如图2所示。K值经标定后，可以根据现场探(八二)二 r 二_ST connectorSapphire 沁jiso/丁曲行berCouplerFibci PholodeuxtorZ/测器的输出电压值得知相应的温度。图2 R (T /a 2T模拟曲线Fig. 2 Simulation curve of R (T /a 2T4实验与结果4. 1静态

12、校准实验乙炔焰的焰心温度可达4000°C以上。经标定的钨铼热电偶可测温度范围为10002000C ,将它和传感器同时置于乙炔焰热源所形成的恒温区域中,调节并 固定乙炔焰热源与传感器的距离,在钨铼热电偶的工作量程内,根据钨铼热电偶的输 出对传感器的输出信号进行单点标定。标定中，已知经标定的钨铼热电偶其输出电 压,根据其分度表可得出恒温区域所244?光电子?激光对应的温度T ,利用R （t /a 2T ,结合系统探测器的输出电压信号大小,根据式（4 即可求出标定系数K ,从而袜同温度量值的静态传递，其测量不确定度（精度为仁C , 测温范围为1002000C ,可以用来进行其它温度测量。4

13、. 2动态标定实验温 度传感器探测的温度从一个值到另一个值，要经过一段时间后才能对应于另一个值 的输出。这一特性，称之为温度传感器的热滞后。测量瞬态变化温度时，由于快变化 温度与温度传感器不稳定的传热过程，使传感器的温度随时间而变化。在各种动态 过程中,传感器温度并不等于介质温度，其差值即为动态响应误差。为消除这种误差 必须对温度传感器动态响应即时间常数进行研究 ，称为动态标定7。 实验中，将脉冲CO 2激光束聚焦到温度传感头上，调节CO 2激光器使其输出为一阶跃信号，传感系统的输出电压信号随阶跃激光信号变化而变化，上升到稳定值63. 6%响应时间,从图330常好图3动态校准结果Fig. 3

14、R esult of dyn amic calibrati on4. 3乙炔焰温度测试实验为了验证系统的动态性能，以运动的乙炔焰为高温热源对象进行测试。实验中，固定蓝宝石高温传感器，点燃乙炔后调节乙炔气 体和02的比例,手持乙炔枪迅速扫过蓝宝石温度传感器。所测结果用示波器采集 如图4所示。调节乙炔气体和 O2的比例非常重要，因为焰心的温度远远超过2000C ,操作中有可能烧坏温度传感器。根据理论计算与标定的结果，所测结果达 1960 CJA川帀H .<1 iirijiL 1'1.< m 11.| .kI I t n.')-L-' ,'dli,)-!

15、i.i- |iI *邯_'训血1.TifJ 'I： J I' 'L'*图4运动乙炔焰测试结果Fig. 4 T esting result of the temperature of moving acetyle ne flame5结论采用蓝宝石光纤为传感器构成高温测试系统对瞬态乙炔焰进行了测试,信噪比非常好1960C。、爆炸等过,该系统。本项目获中北大学电子测试国防重点实验室基金(51487040404和中北大学科学基金(200408资助。参考文献：1 Dils R R. H igh 2te mp erature op tical fiber therm

16、ometerJ.AppI Phys ,1983, 54(3 :119821201. 2 Dils R R. U. S. PatentP.4,750,139,1986.3 Childs P R N , G reen wood J R , et al. Review of tempera 2ture measureme nt J .Review of Scie ntific In strume nt , 2000, 71(8 :295922969.4 ZH OU Bing 2kung. Fiber blackbody temp erature sen sorP .Ch ina P ate nt :

17、CN2046210U,1989.5 YE Lin 2hua , SHE N Zhong 2ping , ZH AO Wei 2zh ong , et al.Sapp hire fiber thermometers based on fluore sence life 2time measureme ntJ.Journal of Optoelectronics? La 2ser 光电子？激光,2002, 13(8 :7732776. (in Chine se 6 SHE N Y ong 2ha ng. Sapp hire fiber temerature ranging fromthe room temp erature to 18003 J.Act