瞬态高温测试中蓝宝石光纤传感器的误差补偿_王瑞
蓝宝石光纤黑体腔高温传感器非线性产生机理及其校正
蓝宝石光纤黑体腔高温传感器非线性产生机理及其校正摘要基于黑体辐射原理的蓝宝石光纤温度传感器，测温范围为800～2000 ℃，响应时间在-210数量级，可进行恶劣环境下瞬态高温的高精度测量，近年来得到了较广泛的应用。
蓝宝石光纤温度传感器的非线性制约和影响传感器的精度和稳定性。
为了解决测量中存在的非线性问题，首先分析了蓝宝石光纤温度传感器的测温原理和非线性产生机理；其次结合蓝宝石光纤温度传感器的非线性特性，设计了基于分段线性插值和样条插值的线性化算法，并用Matlab 编写了线性化程序以及相关的信号处理程序。
实验结果表明，该方法能很好地实现对蓝宝石光纤温度传感器的线性化。
关键词信号处理；线性化；插值算法；Matlab；蓝宝石光纤；1 引言蓝宝石光纤蓝宝石光纤温度传感器近年来在冶金、炼矿等领域开始用来测量炉内的温度,部分取代了传统的铂铑热电偶测量温度的方法.蓝宝石光纤温度传感器体积小、重量轻、灵敏度高、不受电磁干扰的影响,能够进行无接触测量.但是,受黑体辐射的发射率等因素的影响,光纤温度传感器的非线性误差比较大.因此,在使用时需要对光纤温度传感器进行非线性校正.蓝宝石光纤温度传感器的工作原理蓝宝石光纤高温计是以黑体辐射理论为基础.探头是在耐高温的蓝宝石光纤顶端制作的一个封闭的黑体腔.当黑体腔置于被测炉体中,会发出与温度成一定函数关系的黑体辐射光信号.这样就可以通过光纤把信号送给光电探测器,测量其输出电信号即可计算出待测温度.微处理器可采用89C51,标定后中间插值点之间的温度一般采用软件分段线性拟合.非线性补偿一般采用对数放大电路. 蓝宝石光纤温度传感器采用蓝宝石单晶光纤作为温度传感头。
利用蓝宝石（α Ａｌ203）单晶物理化学性能稳定，机械强度好，本质绝缘，耐腐蚀，0.3～4.0μｍ波段范围内透光性很好，熔点高达2046℃，是一种优良的近红外耐高温光学材料［3～5］。
因此蓝宝石单晶光纤以及光纤高温传感器一直是人们研究的热点，但主要着眼于高温传感性能，瞬态特性，很少涉及线性化的研究。
蓝宝石压力传感器温度补偿误差的计算方法(精)
蓝宝石压力传感器温度补偿误差的计算方法，与美国、欧洲等国家或国内的计算方法是不太一样的。
这是由蓝宝石的物理机械特性所决定的。
由于蓝宝石传感器输入信号的变化是非线性的（近似于抛物线），所以规定以%/10 O C所表示的补充误差，对于这种类型的传感器来说是没有意义的。
如果采用微处理器方式对温度误差进行补偿，则必须清楚，对于钛-硅蓝宝石原理的压力传感器来说，其温度特性，无论是初始零点信号，还是灵敏度，都呈抛物线型，即U T=Uo+AT+BT*T。
不能通过线性函数的方式对温度特性进行描述。
俄罗斯采用指定补充温度误差△T的范围这一方法，来确定温度误差。
请见下图：蓝宝石压力传感器不是按点进行温度补偿的，而是按照一定的温度间隔进行温度补偿的T0—这是客户的被测介质工作温度（例如T0为+1000C）。
正是在这一温度下，进行传感器的标定工作，同时也是在这一温度下，它的基本误差（即实际曲线与理想的4-20mA之间的偏差）不会超过在合格证中列出的误差（0.1%、0.2%、0.50%）。
温度补偿在50 O C ~ +150O C 的范围内进行，也就是在工作温度附近100度的间隔范围内进行补偿。
当被测介质的温度与工作温度T0的差值向低方向变化时（温度T1），或向高方向变化时（温度T2），输出信号将发生变化（如图所示）。
此时，会产生辅助误差。
并且，信号的变化是非线性的（近似于抛物线）。
所以，按照%/10 O C的方式整定辅助误差是没有意义的。
这里采用的是确定辅助温度误差区域△T的方法。
当被测介质的温度在工作温度附近100 O C的范围内变化时，输出信号将在△T的界限内变化。
因此，如果变送器的工作温度接近于工作温度T0，则辅助温度误差仅仅为（10/50）2= 1/25△T。
如果以温度曲线数据（随附的数据表中的第3项）为基础，通过初始信号的3个值，画一条抛物线的话（只能有一条抛物线），则沿着这条抛物线可计算出任何温度下的零点信号。
基于蓝宝石光纤的黑体腔瞬态高温传感器设计
测 方 面 进 行 了 详 细 分析 ， 后 给 出 了 实验 结 果 实 验结 果表 明 ， 于采 用 新 型 光 电 探 测 器 和膜 层 材 料 ， 大提 高 了 传 感 器 的测 最 由 大 温 范 围 和信 噪 比 ． 该高 温传 感 器 的测 试 范 围 Ｊ限 大 于 ２０ ０℃ ， ０ 响应 时 间小 于 １０ＩＳ能够 满 足 科 研 和 工 业 生 产 中 特殊 环 境 下 ０ ３， ］ ＿
ＬＩ ｅ．ＨＡ（ ａ —ａ ，Ｚ ｉ Ｗ ）Ｘｉｏｊ ｎ ＨＯＵ ｎｃ ａ ｇ ｉ Ｈａ ｈ ｎ
（ ａ ） ｔｒ ｆ ｌ，ｏ ｉＴ ｓ ＫＯ Ｌ ＆ｒ ｏｙｏ ａ ｒｎｃ ｅ ａ Ｅ ｔ ｔ＆ Ｍｅｓｒｍｅｔ ｅ ｎｌ ３， ｔ ｉｅｓｙ （ ｉａ ａ ｕ ｎ０ ０ ５ ａｕｅ ｎ ｃ ｏ ｇ， Ｕｎｖｒｉ ／ Ｔｎ ，Ｔ ｉ ａ ３ ０ Ｔ ｋ ｏ Ｎｏｔ ｈ ｔ ｈ ｙ １，Ｃ２ “ ， ｌ” ）
基 于 蓝 宝 石 光 纤 的 黑 体 腔 瞬 态 高 温 传 感 器 设 计
基于蓝宝石光纤传感器的瞬态高温测试及校准技术
基于蓝宝石光纤传感器的瞬态高温测试及校准技术3王 高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1000～2000℃)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1200℃到2000℃,测量不确定度(精度)为1℃。
以脉冲CO2激光器输出阶跃热信号为动态激励源,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。
运动乙炔焰模拟测试结果表明,高温测试范围可达2000℃,可用来对兵器及国防工业等诸多涉及燃烧和爆炸等过程的瞬态温度进行测试。
关键词:蓝宝石光纤;瞬态高温;传感器;静态标定;动态性能;响应时间中图分类号:TN247 文献标识码:A 文章编号:100520086(2005)0420441203T ransient High T emperature Measurement B ased on S apphire Fiber Sensor and C alibration T echnologyWAN G Gao3,XU Zhao2yong,ZHOU Han2chang(Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement EMC North University of China, Shanxi Taiyuan030051,China)Abstract:This novel transient high temp erature measurement system consists of the sap2 phire high temperature fiber sensor,tap er high temp erature fiber,coupler,transmission fi2 ber and photo2detector.The working principle was analyzed according to the Plank’s law of blackbody radiation and simulation was p erformed with the MAT LAB software.The static calibration was achieved by placing the calibrated high temperature W2Re thermocouple and this novel sensor to gether into the steady high temp erature region of oxyacetylene flame.Calibration results indicate that temp erature measurement range is1200℃to2000℃and the uncertain of1%can be achieved,and the dynamic respondent time is less than 30ms.The experiment of testing the moving oxyacetylene flame shows that this sensor can be used to measure the transient high temp erature up to2000℃.K ey w ords:sapphire fiber;transient high temperature;sensor;static calibration;dynamic performance;re spondent time1 引 言 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。
蓝宝石光纤温度传感器测温上限的瓶颈分析及解决方案
这 两种 黑体腔 制作 方法 的关键都 是使得 感温 腔
膜层很薄 ， 由于光纤基体细小热容极小 ， 温腔的轴向 感
长度尺寸也足够小 ， 温腔与热 源很快处 于热平衡状 感 态 ， 以近似认 为此 时 的感 温腔 处于 等温状态 ， 可 其辐 射光 与温度 之间满 足Ｐａ ｃ 黑体辐 射公式 ， 为保护 ｌｎｋ 但
传 统 的高温测 量方 法主要 采用 铂铑 热点 偶和 钨 铼热 电偶 ，Ｈ二者 的使 用都存 在很 大 的局 限性 ： 作 ｆ 制 铂 铑热 电偶 的 贵金 属材 料资 源稀 缺 ， 格 昂贵 ， 价 提炼 和 回收时 易造 成环境 污 染 ： 高温 下铢 的挥 发 很严 而 重． 致使 热 电偶 的热 电动 势不 稳定 ， 并且 高温状 态 下
要 占用 比接触 式 光纤 温度 传感 器更 多的空 间 ； 后 ． 最
它 在 研 制 应 用 过 程 中不 可 避 免 地 涉 及 到 确 定 非 黑 体
以ｆ Ｐａｃ 黑 体辐 射公 式来 表永 ： ［ｌ ｋ ｑ ｎ
收 稿 日期 ：０１ 一ｆ — ４ ２ ０ １２
作者简介： 赵靖 （ ９ ７ ） ，【 ｆ 州 人 ， 滇 硕 ｝研 究 ， ， 究 方 向 、 测 试 计 量技 术 及仪 器 １８ 一 ， ｌ 尔 Ｊ 卜研 ： 土 Ｊ
计算 过于 复杂 ，而且计 算过 程 中必须 已知辐 射腔沿
量 精 度 和长期 稳 定性 ， 因此 之前 的蓝宝 石 光纤 温 度
传 感 器 的测 温 上 限一 般 在 １７ ０Ｃ， 过在 单 晶光 纤 ０ ｏ 通
高温蓝宝石光纤温度传感器校准测试系统研究
Ｖｏ １ ． ２１ Ｎｏ ． ９
电子 设 计 工 程
Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
２ ０ １ ３年 ５月
Ｍａ ｙ ．２ ０１ ３ 来自高温蓝宝石光纤温度传感器校准测试 系统研 究
阎 涛 ， 赵 靖 ，袁 玉华 ，王 志浩
（ １ ． 航 天 科 技 集 团公 司 四 十 四 所 陕 西 西 安 ７ １ ０ ０ ６ ５ ； ２ ． 航 天 科 技 集 团公 司四 Ｏ一 所 陕西 西 安 ７ １ ０ ０ ２ ５ ） 摘 要 ：为 满 足 高温 蓝 宝石 光 纤 温度 传 感 器 的标 定和 测 试 需要 ， 分析 了传 感 器 的测 量 结 构 和 标 定 原 理 ， 设 计 了一 套 基 于氧 乙炔 高温 综 合 测 试 平 台和 上 住机 测试 应 用软 件 的标 定 测 试 系统 。 试验 结果 表 明 ， 该 系统 能 够 实现 传 感 器在 多 温
ＹＡＮ Ｔ ａ ｏ ， Ｚ ＨＡＯ Ｊ ｉ ｎ ｇ ，ＹＵＡＮ Ｙｕ — ｈ ｕ ａ ，Ｗ ＡＮＧ Ｚ ｈ ｉ — ｈ ａ ｏ
（ １ ． Ｔ ｈ ｅ ４ ４ ｔ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆＣ Ａ Ｓ Ｃ， Ｘｉ ’ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ６ ５ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． ｈｅ Ｔ ４ ０ １ ｓ ｔ Ｉ ｓｔ ｎ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｆＣ ｏ Ａ Ｓ Ｃ， Ｘ ｉ ’ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ２ ５ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
度 下的 标 定 ， 并 能模 拟真 实测 温 方 式 进 行 测 试 试 验 ， 具 有 较 好 的 可 靠 性 和稳 定性 。 关 键 词 ：蓝 宝石 光 纤温 度 传 感 器 ； 普 朗克 黑 体 辐 射 公 式 ；高温 ；多 温度 标 定
蓝宝石光纤高温测量技术进展
蓝宝石光纤高温测量技术进展王楠楠;师钰璋;王高;周汉昌;熊季军;梁海坚;刘争光【期刊名称】《计测技术》【年(卷),期】2018(38)6【摘要】温度是表征物体状态的参数之一,在科学研究和工程应用中具有重要的理论意义和价值.在氧化、高温、腐蚀、电磁干扰等恶劣环境下,温度的准确测量一直是难题.传感器材料是进行温度测量的基础.蓝宝石单晶光纤具有物理化学性能稳定、熔点高、机械性能强等优点,是进行高温测试的一种首选材料.本文介绍了利用蓝宝石单晶光纤进行温度测量的几种方法,即蓝宝石光纤辐射高温测试技术、蓝宝石光纤光栅高温测试技术、蓝宝石光纤珐珀高温测试技术、蓝宝石超声波导高温测试技术的原理、现状、优缺点及发展趋势,并进行了比较,为蓝宝石光纤温度测量应用奠定基础.【总页数】8页(P61-68)【作者】王楠楠;师钰璋;王高;周汉昌;熊季军;梁海坚;刘争光【作者单位】中国航发贵阳发动机设计研究所,贵州贵阳 550000;测试研究所,山西太原 030051;中北大学信息与通信工程学院,山西太原 030051;测试研究所,山西太原 030051;中北大学信息与通信工程学院,山西太原 030051;测试研究所,山西太原 030051;中北大学信息与通信工程学院,山西太原 030051;测试研究所,山西太原 030051;测试研究所,山西太原 030051;中北大学信息与通信工程学院,山西太原 030051;测试研究所,山西太原 030051【正文语种】中文【中图分类】TB9【相关文献】1.单晶蓝宝石在高温测量中的应用 [J], 黄学洪;欧阳小燕;胡耀祖2.蓝宝石单晶光纤高温测量技术 [J], 林广仁3.用于高温测量的蓝宝石光纤光栅的制备研究 [J], 吴天;隋广慧4.基于MSP430G2553的光纤传感高温测量系统 [J], 张晓颖;段中华;李向昭;孟兆坤;孙元平5.蓝宝石光纤传感器在瞬态高温测量中的应用 [J], 周汉昌;王高;郝晓剑;任树梅因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
高温传输和传感器用的蓝宝石光纤
光纤与电缆及其应用技术Optical Fiber &E lectric Cable2005年第2期N o.2 2005综 述高温传输和传感器用的蓝宝石光纤徐乃英(信息产业部电信科学技术第一研究所,上海200032) [摘 要] 介绍了美国费城Drexel 大学研究出来的多晶氧化铝包层蓝宝石光纤的两种制造方法。
该种光纤可用于高温场合,如红外光的传输和高温传感器。
[关键词] 蓝宝石光纤;陶瓷光波导;涂覆光纤;光纤传感器 [中图分类号] T N818 [文献标识码] A [文章编号] 100621908(2005)022*******Sapphire Optical W aveguides for H igh TemperatureTransmission and Sensors ApplicationsX U Nai 2ying(The First R esearch I nstitute of T elecommunication Science &T echnology ,MII,Sh angh ai 200032,China)Abstract :T w o manu facturing methods for sapphire optical waveguides with polycrystalline alumina cladding ,developed by Drexel University in Philadelphia ,US A are introduced.These waveguides are suitable for high tem perature applications ,such as for IR signal transmission and high tem perature sens or applications.K ey w ords :sapphire optical fiber ;ceramic optical waveguide ;coated optical fiber ;fiber optic sens or[收稿日期] 2004208219[作者简介] 徐乃英(1925-),男,信息产业部电信科学技术第一研究所教授级高级工程师.[作者地址] 上海市徐汇区桂林路505弄1号804室,2002331 蓝宝石光纤的涂覆在过去的二十年中,光纤传感器的应用领域不断扩展,因为它们能够灵敏地监测许多物理化学参数,如应变、压力和化学物质的浓度等。
高温蓝宝石光纤温度传感器校准测试系统研究
高温蓝宝石光纤温度传感器校准测试系统研究阎涛;赵靖;袁玉华;王志浩【摘要】为满足高温蓝宝石光纤温度传感器的标定和测试需要,分析了传感器的测量结构和标定原理,设计了一套基于氧乙炔高温综合测试平台和上位机测试应用软件的标定测试系统.试验结果表明,该系统能够实现传感器在多温度下的标定,并能模拟真实测温方式进行测试试验,具有较好的可靠性和稳定性.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2013(021)009【总页数】4页(P114-116,119)【关键词】蓝宝石光纤温度传感器;普朗克黑体辐射公式;高温;多温度标定【作者】阎涛;赵靖;袁玉华;王志浩【作者单位】航天科技集团公司四十四所陕西西安710065;航天科技集团公司四十四所陕西西安710065;航天科技集团公司四十四所陕西西安710065;航天科技集团公司四○一所陕西西安710025【正文语种】中文【中图分类】TP212.11在温度测量应用中，经常会遇到高温含氧、易燃易爆、强电磁干扰等恶劣的工作环境，此时传统的测温技术如热敏电阻、热电偶、温敏二极管等难以满足实际的使用需要，因此光纤温度传感器凭借其极高的灵敏度和精度、固有的安全性、良好的抗电磁场干扰能力、高绝缘强度以及耐腐蚀、重量轻、体积小、宽频带等优点取得了越来越广泛的应用。
其中蓝宝石光纤温度传感器更是以其较高的温度测量上限、出色的测量精度和动态响应，以及接触式测温直接准确的特点，在一些特殊的高温测量领域中发挥着越来越重大的作用[1]。
高温蓝宝石光纤温度传感器是一种基于黑体辐射原理的接触式稳态温度传感器，它是在传统的蓝宝石光纤温度传感器测量结构的基础之上 [2]，通过设置独立的感温帽结构、使用低热导率的陶瓷保护套管进行隔热保护以及合理设计蓝宝石光纤的安装位置等措施，使该类传感器的温度测量上限从1 900℃提高到了2 400℃以上，从而为其研究和应用的发展开辟了更为广阔的空间。
为了模拟传感器的实际安装测量方式，本文设计研究了一种适用于高温传感器的标定和测试系统，通过氧乙炔高温综合测试平台和上位机测试应用软件的结合，为传感器试验提供了一个稳定、可靠、安全、便捷的平台。
基于单片机的蓝宝石光纤黑体腔高温测试技术
基于单片机的蓝宝石光纤黑体腔高温测试技术
郭伟平;王高;冯进宝
【期刊名称】《传感器世界》
【年(卷),期】2014(020)003
【摘要】针对当前瞬态高温测量领域存在的范围窄、精度低和仪器携带不便等问题,介绍了一种利用蓝宝石光纤黑体腔传感器测量高温的简易方法,设计了基于单片机的蓝宝石光纤传感器高温测试方案.用该方案测量乙炔火焰枪高温气流温度,采用STC12C5A60S2系列超低功耗单片机采集经光电模块探测的信号,通过LCD屏显示采集到的温度曲线光滑平稳.实验结果表明测温系统设计合理、直观简单,可用于特殊高温温度场的实际测量.
【总页数】4页(P22-25)
【作者】郭伟平;王高;冯进宝
【作者单位】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;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;运城职业技术学院,山西运城044000
【正文语种】中文
【中图分类】TN247
【相关文献】
1.基于单片机的蓝宝石光纤黑体腔高温测试技术 [J], 郭伟平;王高;冯进宝;
2.基于蓝宝石光纤的黑体腔瞬态高温传感器设计 [J], 李伟;郝晓剑;周汉昌
3.SSPM在蓝宝石光纤黑体腔瞬态高温传感器中的应用 [J], 潘保武;郝晓剑;李伟;周汉昌
4.蓝宝石光纤黑体腔瞬态高温传感器测量系统特性参数研究 [J], 郝晓剑;李科杰;刘健;周汉昌
5.蓝宝石光纤黑体腔高温计 [J], 郝晓剑 ;孙伟 ;周汉昌 ;赵宇
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2009年第28卷第6期传感器与微系统(T ransducer and M i crosyste m T echnolog i es)瞬态高温测试中蓝宝石光纤传感器的误差补偿*王瑞,郝晓剑,周汉昌(中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051)摘要:蓝宝石光纤温度传感器是一种利用蓝宝石单晶光纤端部镀以P t,Ir等贵金属或耐高温陶瓷薄膜做为光纤传感头的新型传感器,这种方法基于黑体辐射原理。
为了解决瞬态高温测量中存在的非线性误差问题,分析了蓝宝石光纤温度传感器的黑体辐射原理和非线性误差的来源,给出了温度误差的修正方法,并利用标准红外辐射测温仪进行温度校正。
校正后的结果能够满足实际测温需求。
关键词:瞬态高温;黑体腔;非线性误差;校正中图分类号:TH811文献标识码:A文章编号:1000-9787(2009)06-0025-03Error cali bration of sapphire optical fiber sensor in transient high te mperaturem easure m ent*WANG Ru,i HAO X i a o-jian,Z HOU H an-chang(N ati ona lK ey L aboratory of E lectron i c M easure m ent T echnology,North Un iversity of Ch i na,T aiyuan030051,Ch i na)Abstract:Sapphire fi ber sensor is a nove l te m pera t ure senso r,plati ng precious m etals such as plati num andi r i d i u m or cera m i c fil m at the end o f the fi ber,wh ich i s based on the radiation pri nc i p l e o f blackbody.In order t oso l ve non li near errors i n measure m ent,t he princ i p l e o f the b lackbody rad i ation te m perature sensor of optical fi ber and non linear error source a re ana lyzed.The m od ifi ed me t hod i s g i ven,and te m pera t ure ca libra tion i s carr i ed out w it h standard i nfrared radiati on te m pera t ure.C ali brated results of m easure m en t can m eet t he demands o f act ua l m easurem ent.K ey word s:transi ent high te m pe rature;blackbody cavity;nonli near erro r;cali brati on0引言在许多特殊环境和快速动态测量中,传统的温度传感器难以进行有效的实时检测。
蓝宝石光纤传感器以其测量精度高、抗电磁干扰、体积小、可自由弯曲等特点,可应用于易燃易爆、空间狭小、直接瞄准有困难的场合,近年来受到了广泛的重视。
本文针对瞬态高温时蓝宝石光纤黑体腔内外表面传热不平衡所引入的非线性误差进行分析,并提出了具体的修正方法。
1工作原理1.1测温系统蓝宝石单晶光纤端部溅射3~5L m的P t,Ir等贵金属,再涂以1~2L m的A l2O3保护膜,以防止金属在高温下的挥发;也可以采用高发射率的陶瓷高温烧结形成一个微型的光纤感温腔,由于膜层很薄,光纤基体细小,热容量小,所以,感温腔与热源很快处于热平衡状态,有较好的瞬态响应特性。
测试系统由蓝宝石光纤传感器、锥形光纤、传光光纤、窄带滤光片、光电探测器、数据采集装置及处理软件组成[1],如图1。
黑体腔置于温度为T的区域时,波长为K的单色辐射通量U(K,T)由P lank黑体辐射定律决定,辐射热信号通过ST连接器与石英锥形光纤相连,通过耦合模块再连接到普通石英传输光纤经长距离传输后接到窄带低噪声光电探测器。
石英锥形光纤大端为0.9mm,小端为0.2mm,长度为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。
普通石英光纤的直径为0.2mm,长度视现场环境而定(可达数百米,远离恶劣的测试环境)。
耦合模块中装有干涉滤光片(中心波长为820n m,带宽为20n m)。
光电探测器的输出信号可接数据采集装置进行数据处理。
传感器热信号经光电探测器后输出光电压可表示为收稿日期:2008-11-23*基金项目:国防科技重点实验室基金资助项目(9140C1204040705)25传感器与微系统第28卷V(K,T)=K Q K0-$K/2K0+$K/2U(K,T)d K=KR(T),(1)式中K,$K为探测的波长和带宽;R(T)可由数值积分得到;K为取决于光信号传输过程中各种光纤传输、耦合和其他光学元件的插入损耗,窄带光电探测器的灵敏度系数,若忽略温度变化引起损耗和发射率随温度的改变,它是与温度无关的装置常数,可通过静态标定得到。
数据采集装置获取的数据由式(1)编制的计算软件得到温度)时间曲线。
图1蓝宝石光纤传感器测温系统F i g1Testi ng syste m of sapph i re opti ca l fiber te mperature sens or1.2蓝宝石单晶光纤黑体腔[2]蓝宝石单晶光纤感温腔的热辐射特性是高温测量的基础,需要对其进行仔细分析。
可以合理地把蓝宝石光纤感温腔看作一个等温圆柱漫射空腔。
从空腔热辐射的古费(Gouffe)理论可以推得等温圆柱形漫射空腔腔孔的有效发射率E0=E[1+(1-E)(0.25G-0.1875G2)]E+(1-E)(0.25G-0.125G2),式中G=D/L,L为圆柱感温腔长度;D为圆柱的直径;E为感温介质膜层材料的发射率。
上式表明:光纤感温腔孔的有效发射率不仅取决于膜层材料的发射率,而且,还和感温腔的结构尺寸L,D密切相关。
通过理论计算和实验验证可知,感温腔结构尺寸L/D>10时,腔口有效发射率E就非常接近1,而且,是一个稳定的值。
2非线性误差的来源与解决方法2.1黑体腔内外表面温度差蓝宝石光纤传感器的感温探头是以黑体辐射为理论基础的,即将黑体腔整体作为一个等温腔。
蓝宝石光纤黑体腔沿光纤轴向方向的切面图如图2所示,图中,L为黑体腔腔长,D为蓝宝石光纤直径,Xp为黑体腔膜层厚度。
图2黑体腔切面图F i g2Ax ial v ie w of blackbody cavity在瞬态高温测试试验中,发现瞬态高温时黑体腔的内外表面温度峰值具有一定的差值(图3),经过分析发现,试验中所测温度实为黑体腔内表面(Xp层面)辐射温度,距实际测温点(黑体腔外表面温度)有一定差值。
图3黑体腔内外表面温度差示意图F ig3Sche m a tic di agram of difference i n te m perature betweenb l ack body.s i nside and outsi de2.2解决方法出现黑体腔内外表面温度差值,主要是因为构成黑体腔的贵金属薄膜在瞬态高温下传热没有达到平衡。
分析黑体腔薄膜的传热,利用传热的逆过程,通过蓝宝石光纤传感器测得的Xp层面的温度逆推出薄膜外表面(即待测点)的温度。
经理论分析计算,其传热过程可简化为半无限大平板的传热模型,通过改变初始条件和边界条件,建立其传热逆过程如下[3]9T9S=a92T9X2T(X,0)=TT(L,S)=TT(XP,S)=TX P(S),(2)式中a为膜层材料的换热系数;L为黑体腔长度;T为初始温度;TX P(S)为传感器所测的内膜层Xp处等温面上的温度随时间S的变化。
求解方程得到黑体腔内表面温度曲线TX P(S)和外表面温度曲线TX0(S)之间的关系TX0(S)=f(TX p(S)).(3)由蓝宝石光纤高温传感器测温系统所测得的内膜层Xp 处的温度TX p(S),求得薄膜外表面温度,即待测点温度YX0(S),从而达到传热过程中引入的非线性误差修正的目的。
3验证试验通过高功率CO2激光器产生瞬态高温,加热蓝宝石光纤传感器,同时,利用经校准过的高响应速率的红外辐射测温仪探测黑体腔表面的温度,从而得到黑体腔外表面的瞬态高温T和由蓝宝石传感器测温系统测得的黑体腔内表面的温度T1。
图4为验证试验图示。
试验中,用到的热源产生工具))激光器为美国(CO-HERENT)相干公司D ia m ond OE M K)500CO2激光器,它的平均输出功率为500W,峰值功率能达到1500W,光脉冲的上升下降时间<90L s,对于一般的激光加热,均可认为材料吸收的光能向热能的转换是瞬间完成的。
材料表面受激光辐射引起的温度升高T,可由下式近26第6期王瑞,等:瞬态高温测试中蓝宝石光纤传感器的误差补偿图4验证试验图示F ig4Sche m a tic di agram of experi m ent似计算为T=2I tP K Q C,式中K为材料热导率;Q为材料密度;C为比热;t为加热时间;I为激光器的功率密度,I=APd2,A为材料对激光的吸收系数;P为激光光束的输出功率;d为激光光斑的直径。
当黑体腔材料选择金属P t,Ir或高温陶瓷,P=500W, d=0.7@10-3m时,温度升高2000e所需的时间经计算为20~50m s[4],满足瞬态的要求。
试验中选用的红外测温仪是经过校准的I RCON公司的M odli ne5-5R,测温范围为600~1400e,响应时间可以达到0.01s,为单双色可切换式测温方式,精确度高,发射率可以调节设置匹配黑体腔的发射率,其最小探测直径为0.0003m。
试验验证在温度1200e左右进行。
试验中用激光器给传感头施加瞬态高温,其激光器输出激光脉冲的脉宽为580L s,周期为1000L s,出光时间为40m s。
在此试验条件下红外测温仪测得的黑体腔外表面的温度最高值为1134e,出现在45m s。
与此同时,由数字存储示波器记录光电探测器的输出,即黑体腔内部的黑体辐射产生的电压变化,输出电压经式(1)转换为温度值后经一系列计算,最终温度变化经拟合如图5所示。