瞬态高温测试中蓝宝石光纤传感器的误差补偿

　　0　引　言

　　在许多特殊环境和快速动态测量中,传统的温度传感器难以进行有效的实时检测。蓝宝石光纤传感器以其测量精度高、抗电磁干扰、体积小、可自由弯曲 等特点,可应用于易燃易爆、空间狭小、直接瞄准有困难的场合,近年来受到了广泛的重视。本文针对瞬态高温时蓝宝石光纤黑体腔内外表面传热不平衡所引入的非 线性误差进行分析,并提出了具体的修正方法。

　　1　工作原理

　　1. 1　测温系统

　　蓝宝石单晶光纤端部溅射3~5μm的Pt, Ir等贵金属,再涂以1~2μm的Al2O3保护膜,以防止金属在高温下的挥发;也可以采用高发射率的陶瓷高温烧结形成一个微型的光纤感温腔,由于膜层很 薄,光纤基体细小,热容量小,所以,感温腔与热源很快处于热平衡状态,有较好的瞬态响应特性。测试系统由蓝宝石光纤传感器、锥形光纤、传光光纤、窄带滤光 片、光电探测器、数据采集装置及处理软件组成[1],如图1。黑体腔置于温度为T的区域时,波长为λ的单色辐射通量φ(λ,T)由Plank黑体辐射定律 决定,辐射热信号通过ST连接器与石英锥形光纤相连,通过耦合模块再连接到普通石英传输光纤经长距离传输后接到窄带低噪声光电探测器。石英锥形光纤大端为 0. 9 mm,小端为0. 2mm,长度为5~10m,光纤外表带有耐高温的金属扩套以抗高温烧蚀。采用锥形光纤是为了提高传感器输出信号的传输耦合效率。普通石英光纤的直径为0. 2mm,长度视现场环境而定(可达数百米,远离恶劣的测试环境)。耦合模块中装有干涉滤光片(中心波长为820 nm,带宽为20 nm)。光电探测器的输出信号可接数据采集装置进行数据处理。

　　传感器热信号经光电探测器后输出光电压可表示为：

　　式中　λ,Δλ为探测的波长和带宽;R(T)可由数值积分得到;K为取决于光信号传输过程中各种光纤传输、耦合和其他光学元件的插入损耗,窄带 光电探测器的灵敏度系数,若忽略温度变化引起损耗和发射率随温度的改变,它是与温度无关的装置常数,可通过静态标定得到。数据采集装置获取的数据由式 (1)编制的计算软件得到温度—时间曲线。

　　1. 2　蓝宝石单晶光纤黑体腔[2]

　　蓝宝石单晶光纤感温腔的热辐射特性是高温测量的基础,需要对其进行仔细分析。可以合理地把蓝宝石光纤感温腔看作一个等温圆柱漫射空腔。从空腔热辐射的古费(Gouffe)理论可以推得等温圆柱形漫射空腔腔孔的有效发射率：

　　式中　G=D /L,L为圆柱感温腔长度;D为圆柱的直径;ε为感温介质膜层材料的发射率。上式表明:光纤感温腔孔的有效发射率不仅取决于膜层材料的发射率,而且,还和 感温腔的结构尺寸L,D密切相关。通过理论计算和实验验证可知,感温腔结构尺寸L/D>10时,腔口有效发射率E0就非常接近1,而且,是一个稳定 的值。