一种接触式新型光纤温度传感器

　　1　前言

　　温度与燃烧过程热效率的关系,温度与能量转换装置(例如内燃机等)的排放和热负荷的关系已经在许多文献中作过描述^[1-6]。燃烧过程的研究包括化学动力学,传热和传质过程以及气体动力学等。在燃烧过程中导致不完全燃烧的机理有各种因素,它们都与燃气的特性紧密相关。随着新技术的发展,对温度测试技术又提出了许多挑战性的要求。

　　2　接触式光纤温度计^[5]

　　虽然已有许多温度测量技术可用于高温气体测试,例如:非接触式的光学方法、声学方法和激光全息摄影法^[1-4]。但由于高额费用和严格的适用条件限制,这些技术很少应用于动力机械中的燃气温度测量。到八十年代以后光纤传感技术的出现和迅速发展代替了现有的技术或扩展了它们的功能。1983年美国的戴尔斯博士首次开发了单晶(α-Al_²O_³)蓝宝石高温传感器。但是,由于涂覆材料(Ir+Al_²O_³)热性能不理想,传感器的寿命受到了限制。在我们近期的工作中,一种新的接触式光纤温度计开发出来了。温度敏感元件是一个人造的小黑体腔(探测器),它被镀覆在高温光纤温度计(蓝宝石)的尖端,如图1所示。它镀了一层2μm的非金属薄膜。由于镀膜材料和蓝宝石光纤的高熔点以及它们在高温下稳定的光学性能,不仅在动态响应方面而且在空间分辨能力和测量精度方面,光纤温度计均已明显超过了戴尔斯的传感探头。

　　图1描述了光纤温度计的测量系统。探头1是直接暴露在环境热辐射中,热辐射从探头通过光纤3传到干涉滤光镜5和光探测器6,一旦相应于一定波长λ或窄波段Δλ的热辐射能量EA(λ,T)被光探测器测量出来,介质温度就可用普朗克公式计算得到。这里要注意的是波长0.7～10μm的红外辐射正是工程中经常遇到的高温范围。因此,这时最佳波长的选择应能提供最高的灵敏度和在温度升高时的良好的低吸收性能。为此,我们选用大约0.8μm中心波长作为测量波长。

　　3　测量系统的校准

　　光纤温度计的测温精度主要取决于光路的传输效率和与波长相对应的干涉滤色镜及光学探测器的频谱性能、黑体探头的发射能力。因此,系统发出的能量可表示为

　　式中A是黑体腔腔口的发射面积;C_¹,C_²是普朗克第一和第二常数;εA(λ,T)是黑体腔的发射率,通常探头可近似为黑体,即εA(λ,T)≈1;η(λ,T)是光路的传输效率,它表明在光信号的传输过程中辐射能量的损失,它包括了光纤的传输衰减、光纤耦合器损失和其它光学元件的损失等,很明显η(λ,T)<1;f(λ)是以λ0为中心、带宽为Δλ的干涉滤色镜的频谱函数;D(λ)是光电探测器的频谱函数;f(λ)和D(λ)可用波谱实验方法来决定。