王亚民1，王彦龙2
(1．西安科技大学基础部，陕西西安710054；2．陕西理工学院机电系，陕西汉中723003)
摘 要：介绍蓝宝石光纤高温传感器的基本原理和光信号的处理原理，分析其在热加工过程中的测试方法。
关键词：光纤温度传感器；黑体腔；热加工；光纤连接器
光纤高温传感器可以大范围的测定热加工过程的温度，测温范围从室温到1800℃，在800℃以上，灵敏度优于1℃，在1000℃以上，可分辨温度优于0．1℃，具有高温优越性。而且响应快、抗电磁干扰、工作温区大、操作方便、可实现多点测量。对于铸造、热处理的工艺和质量控制具有积极的意义。
1 理论基础
光纤温度传感器系统包括端部掺杂质的高温蓝宝石单晶光纤探头、Y型石英光纤传导束、超高亮发光二极管(LED)及驱动电路、光电探测器、荧光信号处理系统和辐射信号处理系统。如图1所示。
在高温区(400℃以上)，光纤温度传感器基于光纤被加热要引起热辐射的原理工作。热辐射效应光强调制型光纤温度传感器属于被动式光强调制，它不需要外加光源，而直接由蓝宝石光纤制成的黑体腔收集热辐射，然后通过传输光纤送到光电二极管探测并进行数据处理。热辐射的强度和波长是温度的函数。采用带黑体腔的高温单晶蓝宝石(α－Al2O3)光纤(其熔点温度为2050℃)，当黑体腔与待测温度区热平衡时，黑体腔就按照黑体辐射定理发射与待测温度T相对应的电磁辐射，其谱功率密度出射率可以用Plank公式表示为
其中ελ为黑体腔的谱发射率；C1＝3．74×108 W·μm4/m2为第一辐射常数；C2＝1．44×102μm·K为第二辐射常数；λ为光谱辐射波长；T为黑体辐射温度。这一功率经高温光纤直接耦合进入低温光纤，然后射入光电二极管光敏面。考虑到光电二极管光敏面的光谱响应为0．4～1．1μm，同时为了使黑体腔的发射率稳定，控制黑体腔的长径比大于3，于是黑体腔谱发射率ελ≈ 1，入射到光电二极管光敏面的黑体总辐射能量为
其中n1、n2分别表示高温光纤与低温光纤、低温光纤与光电二极管光敏面之间的功率耦合效率；S、l′、α分别表示高温光纤截面积、长度、损耗系数。
在低温区(400℃以下)，辐射信号较弱，系统开启发光二极管(LED)，使荧光测试系统工作，发光二极管发射调制的激励光，经聚光镜耦合到Y型光纤的分支端，由Y型光纤并通过光纤耦合器到蓝宝石光纤探头。光纤探头端部受激励光激励而发射荧光，信号由蓝宝石光纤导出，并通过光纤耦合器从Y型光纤的另一分支端射出，由光电探测器接受。光电探测器输出的光信号经放大后由荧光信号处理系统处理，计算出荧光寿命得到所测温度值。
2 信号处理
光电二极管感应的光辐射信号经过光电转换、信号放大、线性化处理、A/D转换、微机处理后给出待测温度。为了实现多点测量，加入多路开关，通过微机控制，选择所测点。如图2所示。
由于光纤给出的输出光强是非线性的指数信号，这种非线性关系，在温度数字化测量中，加进线性化装置进行线性补偿。这里选用模拟线性化，采用折线逼近方案，即用连续有限折线代替曲线的直线化方式。其特点是技术简单，精度取决于折线段的多少。
3 测试方法
3．1 熔炼过程中的探头设置
在熔炼过程中，金属液体始终处于流动状态；可以认为在这个温度场中，金属液体各处的温度基本一致。将探头放置于溶液表面下10cm左右处，通过热辐射测出溶液温度。
3．2 在热处理加热炉系统中的探头设置
在加热炉中，被处理的工件与炉壁进行热交换。辐射换热量表示为
ε1、ε2分别为工件和炉壁的黑度，φ21为角系数。当热平衡时候，T1＝T2，Q12＝0。两者之间没有了热交换，这时候就可以测出工件的温度。将探头安置于炉壁，外接光纤测出工件的加热温度。
3．3 凝固过程中的温度测量
铸件在凝固过程中，它的内温度场为不稳定温度场。在铸件截面上某一点，不同时刻，温度是不同的；在同一瞬间，铸件截面上各点的温度也不同。其温度场是坐标(x，y，z)和时间t的函数
T＝(x，y，z，t)
为了测出铸件在凝固过程的温度场，研究温度场和等温面的变化，进一步进行仿真模拟，提高产品质量和成品率，有必要对凝固过程进行多点测量。光纤温度传感器能够快速响应温度变化，测量精度高，可以准确的反映温度场的情况。在测量中，将探头安置于所测点，通过微机来观察和描绘温度场。
3．4 光纤连接
为了使光通道的可拆性成为可能，便于多点测量，为测试提供便利的测试接口，同时尽可能的降低连接过程中的光损耗，在光纤接口处采用可以拔插的光纤连接器，实现从光源到光纤、光纤到光纤以及光纤到探测器之间的光耦合。考虑到在热加工环境下使用，光纤连接器必须可靠、坚固耐用、可维修、插入损耗小等因素，采用SC型单芯光纤连接器。这种连接器的法兰盘中有卡簧，接口是矩形结构，在插入中很容易对准，适宜于高密度安装，提高了操作性、损耗的稳定性以及封装密度。在连接中还可以采用小型封装连接器SFF，使在较小的空间内使用成为可能。
4 结论
在熔炼炉的加热过程中，用铂铑热电偶和光纤高温探头对同一个温区进行测试；在整个温度区域的测试过程中，对比测试结果，光纤高温探头与铂铑热电偶测试结果基本相符。光纤高温传感器的使用寿命长，重复性好，性能价格比高，完全可以在生产中替代铂铑热电偶，目前已经部分应用于生产过程中。
参考文献
［1］安毓英，曾小东．光学传感与测量［M］．北京：电子工业出版社，2001．202－204．
［2］沈永行．从室温到1800℃全程测温的蓝宝石单晶光纤温度传感器［J］．光学学报，2000，20(1)．
［3］叶林华，沈永行．蓝宝石光纤高温传感技术研究［J］．浙江大学学报(自然科学版)，1997，31(5)．
［4］马天，黄勇，杨金龙．光纤连接器［J］．光学技术，2002，(3)．
摘自 仪表技术
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