基于蓝宝石光纤传感器的瞬态高温测试及校准技术.docx
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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MATLAB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,并且重复性非常好明,高温测试范围可达2000℃,行测试。
关键词:
蓝宝石光纤;瞬态高温;传感器;中图分类号:
TN247 2(0420441203
TMeasurementBasedonSapphireFiberSensorandCTechnology
WANGGao3,XUZhao2yong,ZHOUHan2chang
(KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurementEMCNorthUniversityofChina,ShanxiTaiyuan030051,China
Abstract:
Thisnoveltransienthightemperaturemeasurementsystemconsistsofthesap2phirehightemperaturefibersensor,taperhightemperaturefiber,coupler,transmissionfi2berandphoto2detector.TheworkingprinciplewasanalyzedaccordingtothePlank’slawofblackbodyradiationandsimulationwasperformedwiththeMATLABsoftware.ThestaticcalibrationwasachievedbyplacingthecalibratedhightemperatureW2Rethermocoupleandthisnovelsensortogetherintothesteadyhightemperatureregionofoxyacetyleneflame.Calibrationresultsindicatethattemperaturemeasurementrangeis1200℃to2000
℃andtheuncertainof1%canbeachieved,andthedynamicrespondenttimeislessthan30ms.Theexperimentoftestingthemovingoxyacetyleneflameshowsthatthissensorcanbeusedtomeasurethetransienthightemperatureupto2000℃.
Keywords:
sapphirefiber;transienthightemperature;sensor;staticcalibration;dynamicperformance;respondenttime
1 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。
上世纪60~70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测对象的温度场等特点,许多研究机构对此进行了研究并开发了相应的产品[1]。
光电子・激光
第16卷第4期 2005年4月 JournalofOptoelectronics・Laser Vol.16No.4 Apr.2005
3收稿日期:
2004211208 修订日期:
2005201218 3 E2mail:
gxx@nuc.edu.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500~1800℃,测温精度优于±0.2%,已有少量应用[5,6]。
但国内研究多集中在静态高温测试,动态、瞬态较少。
基于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Φ900~200mm,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。
普通石英光纤的规格为Φ200mm,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
数据采集装置。
图1 系统原理框图
Fig.1 Blockdiagramofsystemprinciple
3 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(λ0,T=
∫
λ0+Δλ/2λ0-
Δλ/2η(λf(λD(λεA(
λφ(λ,Tdλ(1
式中:
η(λ
为光信号传输过程中光纤的传输损耗;f(λ为干涉滤光片的光谱响应函数;D(λ为光电探测
器的光谱响应函数;εA(λ为传感头的单色发射率;λ0
为干涉滤光片的中心波长,Δ
λ为带宽;φ(λ,T为光纤黑体腔单色辐射通量。
当干涉滤光片的带宽很窄
时,η(λ=η(λ0,f(λ=f(λ0,D(λ=D(λ0,代入式(1得光电探测器的电压输出为
V(λ0,T=η(λ0f(λ0D(λ0εA(λ0
∫
λ0+Δλ/2λ0-
Δλ/2φ(λ,Tdλ(2
令
K=η(λ0f(λ0D(λ0ε(λ0,R(T=
∫
λ0+Δλ/2λ0-
Δλ/2φ(λ,Tdλ(3
则有
V(0(T(40nm,
Δλ=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/a2T曲线如图2所示。
K值经标定后,可以根据现场探
测器的输出电压值得知相应的温度。
图2 R(T/a2T模拟曲线
Fig.2 SimulationcurveofR(T/a2T
4 实验与结果
4.1 静态校准实验
乙炔焰的焰心温度可达4000℃以上。
经标定的钨铼热电偶可测温度范围为1000~2000℃,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/a2T,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1℃,测温范围为100~2000℃,可以用来进行其它温度测量。
4.2 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CO2激光束聚焦到温度传感头上,调节CO2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 Resultofdynamiccalibration
4.3 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O2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2000℃,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℃
。
图4 运动乙炔焰测试结果
Fig.4 Testingresultofthetemperature
ofmovingacetyleneflame
5 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1960℃。
、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] DilsRR.High2temperatureopticalfiberthermometer[J].
ApplPhys,1983,54(3:
119821201.[2] DilsRR.U.S.Patent[P].4,750,139,1986.
[3] ChildsPRN,GreenwoodJR,etal.Reviewoftempera2
turemeasurement[J].ReviewofScientificInstrument,2000,71(8:
295922969.
[4] ZHOUBing2kung.Fiberblackbodytemperaturesensor
[P].ChinaPatent:
CN2046210U,1989.
[5] YELin2hua,SHENZhong2ping,ZHAOWei2zhong,etal.
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7732776.(inChinese[6] SHENYong2hang.Sapphirefibertemeraturerangingfrom
theroomtemperatureto1800℃[J].ActaOpticalSinica(光学学报,2000,20(1:
83287.(inChinese
[7] LIANGLie2guo,etal.Astudyonthemethodofcalibration
fortransientsurfacetemperaturedetectors[J].ActaAr2mamenarⅡ(兵工学报,2001,22(2:
2632265.(inChi2nese作者简介:
王 高 (1973-,男,讲师,从事光电子技术和激光技术应用教学与研究工作1
・
344・
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