藍寶石光纖溫度傳感器系統原理分析

1 前言

　基于Plank黑體輻射定律，我們以鍍有高溫陶瓷的藍寶石光纖為黑體高溫傳感器構建了高溫測試系統，并測試了運動乙炔焰的溫度。該結果對解決目前諸多工程實際應用中瞬態高溫測試難題具有明顯地意義。

　　2.理論基礎

　　光纖溫度傳感器系統包括端部摻雜質的高溫藍寶石單晶光纖探頭、Y型石英光纖傳導束、超高亮發光二極管(LED)及驅動電路、光電探測器、熒光信號處理系統和輻射信號處理系統。如圖1所示。

　　在高溫區(400℃以上)，光纖溫度傳感器基于光纖被加熱要引起熱輻射的原理工作。熱輻射效應光強調制型光纖溫度傳感器屬于被動式光強調制，它不需要外加光源，而直接由藍寶石光纖制成的黑體腔收集熱輻射，然后通過傳輸光纖送到光電二極管探測并進行數據處理。熱輻射的強度和波長是溫度的函數。采用帶黑體腔的高溫單晶藍寶石(α-Al2O3)光纖(其熔點溫度為2050℃)，當黑體腔與待測溫度區熱平衡時，黑體腔就按照黑體輻射定理發射與待測溫度T相對應的電磁輻射，其譜功率密度出射率可以用Plank公式表示為

　　其中ελ為黑體腔的譜發射率;C1=3.74×108 W·μm4/m2為第一輻射常數;C2=1.44×102μm·K為第二輻射常數;λ為光譜輻射波長;T為黑體輻射溫度。這一功率經高溫光纖直接耦合進入低溫光纖，然后射入光電二極管光敏面。考慮到光電二極管光敏面的光譜響應為0.4～1.1μm，同時為了使黑體腔的發射率穩定，控制黑體腔的長徑比大于 3，于是黑體腔譜發射率ελ≈ 1，入射到光電二極管光敏面的黑體總輻射能量為

　　其中n1、n2分別表示高溫光纖與低溫光纖、低溫光纖與光電二極管光敏面之間的功率耦合效率;S、l′、α分別表示高溫光纖截面積、長度、損耗系數。

　　在低溫區(400℃以下)，輻射信號較弱，系統開啟發光二極管(LED)，使熒光測試系統工作，發光二極管發射調制的激勵光，經聚光鏡耦合到Y型光纖的分支端，由Y型光纖并通過光纖耦合器到藍寶石光纖探頭。光纖探頭端部受激勵光激勵而發射熒光，信號由藍寶石光纖導出，并通過光纖耦合器從Y型光纖的另一分支端射出，由光電探測器接受。光電探測器輸出的光信號經放大后由熒光信號處理系統處理，計算出熒光壽命得到所測溫度值。

　　3.信號處理

　　光電二極管感應的光輻射信號經過光電轉換、信號放大、線性化處理、A/D轉換、微機處理后給出待測溫度。為了實現多點測量，加入多路開關，通過微機控制，選擇所測點。如圖2所示。

　　由于光纖給出的輸出光強是非線性的指數信號，這種非線性關系，在溫度數字化測量中，加進線性化裝置進行線性補償。這里選用模擬線性化，采用折線逼近方案，即用連續有限折線代替曲線的直線化方式。其特點是技術簡單，精度取決于折線段的多少。