蓝宝石光纤瞬态高温传感器技术研究.doc

蓝宝石光纤瞬态高温传感器技术研究2005-2-24 来源:《传感器世界》作者:王高周汉昌李仰军摘要:本文介绍了一种镀有高温陶瓷薄膜的蓝宝石光纤高温传感器,描述了该传感器的工作原理和仿真过程,最后给出了实验结果。结果表明,该高温传感器的测试范围可达2000℃,响应时间小于120ms,可用来对火药的燃烧和爆炸及发动机等瞬态温度进行测试。文章编号:1006-883X(2004)12-0016-03注:本课题受中北大学科学基金资助,项目编号:NUC200408关键词:蓝宝石光纤;瞬态高温传感器;响应时间中图分类号::A一、引言在工程实际应用中,有许多场合需对超过1000℃的高温进行测试,而且某些环境中还伴有强冲击的瞬态变化过程。尽管目前已有许多高温研究成果,但对于像火药燃烧时的温度、各种发动机汽缸的温度等变化的高温数据很难通过传统的热响应率较慢的热电偶得到,并且所测结果是否能准确反映客观对象的真实情况也是一个棘手的问题。六、七十年代,辐射测温技术有了飞速的发展,该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,可用于瞬态温度的测量。国内外许多研究机构对此进行了研究,并开发了相应的产品。美国Vanzette公司首先生产了带光导纤维探头的辐射温度计。#4、750、139介绍了一种用蓝宝石光导棒温度传感器测量高温的方法。尽管已经有了商业化产品,但大部分传感器测温范围低,响应速度慢,远不能满足瞬态温度测量的要求,而且价格昂贵。在国内,清华大学、浙江大学及西安电子科技大学等高校也开展了光纤高温传感器方面的研究。清华大学周炳琨等人于1989年1月申请了光纤黑体腔温度传感器专利。863计划项目之一,浙江大学物理系沈永行等人所研制的蓝宝石黑体腔光纤传感器,采用高发射率的陶瓷高温烧结制成的微型光纤感温腔,具有良好的长期稳定性和较高的测试精度;其静态测温范围为500℃~1800℃,测温精度优于±%,已开始少量应用,并正在进一步推广之中。但总的来说,国内的工作多集中在静态高温测试中,动态测试研究较少。基于Plank黑体辐射定律,我们以镀有高温陶瓷的蓝宝石光纤为黑体高温传感器构建了高温测试系统,并测试了运动乙炔焰的温度。该结果对解决目前诸多工程实际应用中瞬态高温测试难题具有明显地意义。二、系统原理该系统由蓝宝石黑体温度传感器、ST连接器、锥形石英光纤、耦合器、滤光片、光纤和光电探测器组成,其结构见图1。它的工作原理如下:当蓝宝石黑体温度传感器靠近某高温辐射源时,热容很小的黑体温度传感器迅速达到热平衡,由黑体辐射理论可知,其开始向蓝宝石光纤辐射热信号。热量辐射信号经过锥形光纤和普通光纤长距离传输后接到光电探测器。蓝宝石黑体温度传感器与锥形光纤通过ST连接器相连,而带通滤光片的耦合器则将锥形光纤同普通石英光纤连接并进行滤光。这里,采用锥形光纤的目的是为了提高蓝宝石黑体温度传感器输出信号的传输效率。我们选用带有尾纤和ST接头的硅混合集成FET-PIN光电接收器件作为光电探测器,该探测器的连接电路原理图和相对光谱灵敏度曲线如图2所示,性能指标如下:~;暗电流小于400mV;响应度大于2500mV/mV;;高可靠性ST接头,牢固的同轴封装。光电探测器的输出