一种测量高温中间包的蓝宝石光纤温度计

　　0　引言

　　瞬态温度测量工作的共同特点是温度高,变化快,可能伴有高压或高速流动,一次性过程居多.因此,测量条件非常困难,技术难度很高,难以用传统的热电偶来进行测量,高温高压下容易氧化变脆,机械强度变坏,再加其响应特性的要求,实际上无法使用.把辐射测温技术和光纤传感技术有机地结合起来,可以有效地解决恶劣环境下高温测量的难题.

　　在各种光纤温度传感器中,有两类具有特别重要的应用价值:根据普朗克辐射定律,利用物体高温热辐射进行检测的辐射型光纤温度传感器和利用物体荧光寿命与温度对应关系的荧光寿命检测型光纤温度传感器.由于物体的热辐射随温度的升高呈近指数型增长,辐射型光纤温度传感器在高温下具有很高的灵敏度,但无法应用于低温区域.相反,由于物体的荧光仅在低温区具有可检测的荧光温度特性,而在高温区则由于荧光淬灭以及辐射背景的增加而无法适用,因此荧光测温型光纤温度传感器适用于低温区的温度测量.本文将上述两种光纤温度传感器有机地结合在一起,实现了从低温到高温的大范围温度精确测量.利用单一光纤探头实现大范围测温具有重要的应用价值[1-2].

　　1　高温计测温原理

　　蓝宝石单晶光纤由于其极好的高温物理化学性能,非常适用于高温下光纤测温应用,现已成功地用作辐射型光纤温度传感器的光纤传感头.利用激光加热基座法(LHPG)单晶光纤生长技术,通过在蓝宝石单晶光纤的端部掺入Cr3+离子[3],可以实现光激发下的荧光发射.通过荧光寿命的检测,可以测量所对应的温度.因此,这种温度传感器将实现高温的非接触精确测温.蓝宝石光纤黑体腔高温计是根据对传感器的辐射光信号的探测得到被测温度的.根据Planck黑体辐射定律,光纤黑体腔置于温度为T的区域时,其单色辐射通量为[4]

　　式中a为腔出口进入光纤的面积,λ为辐射光波长,T是绝对温度,为第一辐射常量,为第二辐射常量,设干涉滤光片的光谱响应函数为f(K),光电探测器(PIN管)的光谱响应函数为D(K),考虑到更一般的情况设传感头的单色发射率为εA(K),干涉滤光片的中心波长为λ0,带宽为Δλ,辐射光信号经光纤传入光探测器后输出的电压为：

　　式中η(λ)反映光信号传输过程中光纤(包括蓝宝石单晶光纤,锥形光纤和传光光纤)的传输损耗,光纤连接器和其它光学元件的插入损耗引起的辐射能损失,显然η(λ)<1,当干涉滤光片的带宽很窄时,可以假设:η(λ)=η(λ0),f(λ)=f(λ0),D(λ)=D(λ0),并代入式(2)可得光电探测器的电压输出为：