瞬态高温测量系统

    高温、强浸蚀介质、强热震性的温度测量在冶金、石油化工、建材、武器研制等工程技术领域中十分常见,但对于变化的高温数据很难通过传统的热响应速率较慢的热电偶得到。随着科学技术的发展,辐射测温技术有了显著突破,但大部分传感器测温范围低,响应速度慢,不能满足瞬态温度测量的要求。

    由于工业生产、科学研究与开发和生物学等领域对温度测量设备日益增长的需求,温度测试技术的革新和研究与开发活动从未停止^[1-2]。目前,美国、英国、法国、德国、日本等发达国家对光纤高温传感器都做了大量的研究,并在不同程度上进入了实用化阶段。美国目前已有Accufiber、Allison、Lux-tron及Savannah River等多家公司生产工业及军用光纤高温传感器。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,但较之国外产品仍有较大差距[3-6]。

    因此,研究一种能在恶劣环境下实现瞬态高温测试的系统对提高产品质量,减少废品率,节约能源和原材料,降低成本,提高劳动生产率等方面具有重要的研究意义和经济效益。

    1　测温原理

    辐射测温理论是基于黑体辐射的普朗克定理。当黑体腔与待测高温区热平衡时,黑体腔按照黑体辐射定律发射与待测温度相对应的电磁辐射,其谱功率密度出射率可用Plank公式表示

式中　C₁=3.741 8×10^-16W·m³是第一普朗克常数;C₂=1.438 79×10^-2m·K是第二普朗克常数;λ为滤波器波长;T为被测温度。

    设光纤探头的耦合效率为η(λ),光纤光栅窄带滤波器的光谱响应函数为R(λ),中心波长为λ_B,带宽为2Δλ,光电探测器(Si-PIN管)的光谱响应函数为D(λ),则辐射光信号经硅光电探测器后的输出电压为

    由式(2)可知,η(λ)、R(λ)和D(λ)与λ有关,与T无关。当设计完成滤波器后,经标定,η(λ)、R(λ)和D(λ)均为常数。因此,输出电压可直接反映被测体的温度大小。

    2　系统设计

    2.1　系统结构

    复合式光纤高温测量系统采用“接触-非接触”测量技术,兼有接触式测温的直接、准确的特点和非接触式测温的耐腐蚀、耐高温等优点。系统如图1所示,主要由黑体腔探头、透镜组、光纤准直器、传输光纤、光纤环行器、光纤光栅滤波器、光电探测器、信号放大电路、数据采集系统和计算机构成。