高温光纤快速测温系统研究

　　1　引言

　　测量飞机发动机燃烧温度的目的是为了将发动机控制在理想的热力学工作点,防止发动机因超温而损坏。测量飞机发动机火焰燃烧的脉动温度,可以正确 评价发动机燃烧性能的优劣,提高质量。通常情况下采用热电偶来测量发动机的燃烧温度,但热电偶存在着响应速度慢、高温下寿命低、需要经常更换等缺点。因此 采用传统的方法很难测出发动机火焰燃烧的脉动温度。高温、快速比色光纤温度传感器为飞机发动机的燃烧温度测量提供了一种崭新的测量手段。它的显著特点为响 应速度快(响应时间≤0.1ms)、使用寿命长、抗电磁干扰、灵敏度高,其使用温度范围为900℃～2400℃。

　　2　测温原理

　　由于高温比色光纤测温系统属于一种非接触式测温仪器。因此它的理论依据来源于黑体辐射能量分布的普朗克公式:

　　式中EBλ为绝对黑体的光谱发射量;λ为入射光波长;T为物体温度;C1为第一辐射常数;C2为第二辐射常数(C2=1.438833cm·k)。

　　当λT≤C2时,由维恩近似得

　　由于实际物体并非绝对黑体,故式(2—2)改为:

　　式中ε(λ,T)为辐射系数。

　　由公式(2—3)可以看出E不仅与T有关,还与ε有关,ε的变化将直接影响到发射能量。而测温现场(如环境、距离等)的改变,都会使ε发生变化,影响测量结果。

　　当采用比色光纤传感器测温时,对某一温度,两个不同波长λ1、λ2的能量之比可写为:

　　由于许多物体都可近似认为是灰体,因此削弱了ε(λ,T)的影响。同时,恰当地选择λ1和λ2(窄带高透干涉滤波片),使被测物体在这两个特定的波段内ε(λ1,T)与ε(λ2,T)近似相等,则式(2—4)变为:

　　由式(2—5)看出,正确地选择λ1、λ2是致关重要的,λ1、λ2选择合适,辐射能量R(T)仅仅是温度T的函数,基本与测量距离无关。这一点在实际测量中是很重要的。

　　3　比色光纤测温系统的设计

　　比色光纤测温系统的结构框图见图3—1。测温系统通过双路光耦合器1,传导光纤2将接收到的光信号传导到滤波片3上。经过双路滤波后,分别送入 硅光电池4进行光—电转换。转换后的电信号经放大电路5放大,再进行A/D转换,最后由计算机进行数据处理并绘制、打印出实验曲线。

　　3.1　滤波片的选择

　　如前所述,在光纤温度传感器部分,恰当的选定滤波片是很重要的。如果λ1、λ2选择合适,R(T)只与发光体温度T有关,而不会因每次实验取放测温探头,改变了测量距离,造成测量误差。