光纤温度传感器的应用及发展

位时间的辐射通量即单色辐
射度
M (Κ, T ) 由普朗克公式给出:
M (Κ, T ) =
c1 Ε(Κ)
Κ5
exp
(
c2 ΚT
)
-
1
(7)
利用式 (6) 绘出 R (T ) - T 的关系曲线如图 3 所
示, 图中曲线 1～ 8 所对应的 Κ分别为 0. 5, 0. 6, 0. 7,
0. 8, 1. 0, 1. 2, 2. 0, 3. 0Λm , Κ2= Κ1+ ∃Κ, ∃Κ= 0. 2Λm。实
3 用于燃气轮机温度检测的光纤传感器
燃气轮机叶片温度和间隙的精确测量, 直接关系 着其工作效率和运行安全。 基于燃气轮机内部工作环 境恶劣、温度高、空间狭小、干扰严重等特点。本文根据 实际使用情况提出了一种基于双波长测温原理的光纤 传感器结构。研究表明, 双波长测温法可以有效地抑制 周围环境的影响, 光纤温度传感器工作原理如图 5 所 示, 辐射光沿多模光纤传输, 经不同探测器形成两路探 测信号, 分别通过交流放大滤波, 以提高信噪比和测量 精度。在光纤末端加入扰模器, 可以部分消除因光纤弯 曲、扭转等不定因素所带来的随机传输损耗, 提高系统 的稳定性。该传感器采用多根 250Λm 芯径的石英光纤 作为空间传输光路, 使环境干扰因素如尘埃、水汽等对 测量结果的影响减小, 其测温范围在 300～ 1000℃, 准 确度可达±2℃。
1 引 言
传输光通量的功能型传感器。 光纤挠性好、透光谱段
宽、传输损耗低, 无论是就地使用或远传均十分方便,
随着工业自动化程度的提高及连续生产规模的扩 而且光纤直径小, 可以单根、成束、Y 型或阵列方式使
大, 对温度参数测量的快速性提出了更高的要求。 目 用, 结构布置简单且体积小。因此, 作为温度计, 适用的
由下式给出:
Κ1+ ∆Κ1 2
∫M (Κ, T ) K1 (Κ)D 1 (Κ) dΚ
R (T ) =
Κ1- ∆Κ1 2 Κ2+ ∆Κ2 2
(6)
∫M (Κ, T ) K2 (Κ)D 2 (Κ) dΚ
Κ2- ∆Κ2 2
式中 Κ1、∆Κ1 与 Κ2、∆Κ2 —— 分别为两测量点处的波长
和带宽
D 1 (Κ)、D 2 (Κ) ——滤光片的透光率 K1 (Κ)、K2 (Κ) ——光电探测器的光谱响应 M (Κ, T ) —— 单位面积物体在半球方向、单
m en t in gas tu rb ine is p ropo sed.
Key words T em peratu re m easu rem en t F iber2op t ic sen so r O perat ing p rincip le
结构型传感器; 二是光纤本身就是感温部件同时又是
摘要 详细地分析了国内外主要光纤测温方法的原理及特点, 给出了不同方法的温度测量范围和性能指标, 在此基础上提出 了一种适用于燃气轮机工作温度测量的新型光纤温度传感器的结构设计和工作原理。 关键词 温度测量 光纤传感器 工作原理
Appl ied Study and D evelopm en t of F iber-optic Tem pera ture Sen sor
Si= k i·Ε(Κi, T ) ·c1·Κ-i 5·exp (-
c2 ΚiT
)
i= 1, ……n (8)
式中 k i —— 通道的几何因子
ki 与该波长下探测器的光谱响应率、光学元件透
过率及几何因素有关, 可以通过标定得到;
Ε(Κi, T ) ——温度 T 的目标光谱发射率
T ——目标的温度
Ε(Κ, T ) = exp [ - (a0+ a1Κ) 2 ]
(13)
将式 (9)～ (13) 中的任何一式与式 (8) 联合, 便可
通过拟合或解方程的方法求得温度 T 和光谱发射率。
Coates[8, 9] 在 1988 年讨论了式 (9)、(10) 假设下多波长 高温计数据拟合方法和精度问题。1991 年M an soo r[10] 等总结了多波长高温计数据拟合方法和精度问题。
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仪 器 仪 表 学 报 第 2 4 卷
图 5 双波长辐射测温原理框图
4 结 论
光纤技术的发展, 为非接触式测温在生产中的应 用提供了非常有利的条件。 光纤测温技术解决了许多 热电偶和常规红外测温仪无法解决的问题。 而在高温 领域, 光纤测温技术越来越显示出强大的生命力。
Ε(Κ, T ) = a0+ a1Κ
(9)
(m ≤n- 2) (10) (11)
Ε(Κ, T ) =
1 2
[ 1+
sin (a0+
a1Κ) ]
(12)
L 1- 主物镜 FS1- 第一视场光栏 L 2- 中继物镜 A S- 孔径光栏 FS2- 主视场光栏 L 3- 场镜 FB - 光纤束 L 4- 准直物镜 F- 干射滤光片 M 1、M 2- 平面反射镜 W - 衰减片转轮 图 4 多波长光纤高温计结构
这样, 整个多波长高温计共有 n 个方程, 而未知数有 Ε
(Κi, T ) 和 T 共 (n+ 1) 个, 无法求解。 因此, 必须借助其
他辅助方程。一般选择 Ε(Κ, T ) 和 Κ这一函数假设。其
中著名假设有:
lnΕ(Κ, T ) = a+ bΚ
m
lnΕ(Κ, T ) = ∑ai·Κi i= 0
Abstract T he theo ry and character of fiber2op t ic tem peratu re m easu rem en t are analyzed, in w h ich tem peratu re
range and it s character are p resen ted. O n the base of it a novel fiber2op t ic sen so r u sed fo r tem peratu re m easu re2
对象的真温测量方面, 多波长高温计量是很有前途的
仪器。该类仪器测温范围广, 可用于 600～ 5000℃温度 T 曲线
2. 4 多波长辐射测温法 多波长辐射测温法是利用目标的多光谱辐射测量
信息, 经过数据处理得到真温和材料光谱发射率。考虑 到多波长高温计有 n 个通道, 其中第 i 个通道的输出 信号 Si 可表示为:
因此, 只要测量出全波长下辐射通量, 则被测温度
就可以确定。测量温度 (黑体温度) T s 和实际温度 T 的
关系为:
T=
T sΕT-
1 4
(3)
式中 ΕT = 0～ 1
两边取对数后, 经整理得到:
1 Ts
-
1 T
=
Κ c2 ln
1 ΕΚ
(5)
式中 T s ——黑体温度
T ——实际温度
ΕΚ——被测物在工作波长 Κ的单辐射率
c1, c2 ——普朗克定律的第一、第二常数
Ξ 本文于 2001 年 9 月收到。
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c1= 3. 7418×10- 16 (W ·m 2)
c2= 0. 014388 (m ·K)
辐射功率M 随波长的变化曲线如图 1 所示。图中
测量中, 从温度传感器读出 T s, 然后根据式 (5) 计
算被测温度 T。
在测温中 (图 2) 所选波段越窄越好, 这样容易排
除许多干扰辐射。 该类仪器的测温范围一般在 300～
2000℃; 分辨率为 1℃; 误差在±0. 5% 左右。
图 1 不同温度下黑体的辐射功率
测量中由于周围背景的辐射、测试距离、介质的吸
L iu L ihua1 W ang J un1 X in L i2 J iang X iuzhen1 L i Peng sheng1
1 (D ep. of A u tom a ted M easu rem en t & C on trol, H a rbin Institu te of T echnology , H a rbin 150001, C h ina) 2 (C h ina W a tercraf t H eavy Ind ustry H old ing C om p any , T he S ev en th A cad em e, H a rbin 150001, C h ina)
全辐射测温法是测量全波段的辐射能量, 由普朗
工业生产中有着极为广泛的应用前景[ 2 ]。
克定律:
M = c1Κ- (e 5 c2 ΚT - 1) - 1
(1)
2 光纤式测温原理
式中 M ——单色辐射功率
Κ—— 波长
光纤测温技术可分为两类: 一是利用辐射式测量
T ——黑体绝对温度
原理, 光纤作为传输光通量的导体, 配合光敏元件构成
格昂贵的金属热电偶必须接触被测高温物体, 所以损 测温技术主要有全辐射测温法、单辐射测温法、双波长
坏快, 增加了成本。 光导纤维技术的发展, 为非接触测 测温法及多波长测温等[3～ 7]。
温技术在工业生产中的应用提供了有利的前提条件。 2. 1 全辐射测温法
它具有抗电磁干扰、耐高温、抗腐蚀、小型化等优点, 在
收、发射及透过率等的变化都会严重影响准确度。同时
辐射率也很难预知。但因该高温计的结构简单, 使用操 作方便, 而且自动测量, 测温范围宽, 故在工业中一般 作为固定目标的监控温度装置。 该类光纤温度计测量
范围一般在 600～ 3000℃, 最大误差为 16℃。 2. 2 单辐射测温法
由黑体辐射定律可知, 物体在某温度下的单色辐 射度是温度的单值函数, 而且单色辐射度的增长速度 较温度升高快得多, 可以通过对于单辐射亮度的测量 获得温度信息。在常用温度与波长范围内, 单色辐射亮 度用维恩公式表示: