蓝宝石光纤温度传感器K值标定系统

　　0 引言

　　蓝宝石光纤温度传感器是一种重要的高温测量工具，通过实验标定建立传感器温度 - 电压关系，可以还原出准确的被测温度。目前，国内对该类温度传感器的标定工作处于起步阶段，同时由于该蓝宝石光纤较短( 80 mm) ，且标定温度高等因素，不适合采用传统的方法标定。因此，提出了一种基于氢氧焰枪、Modline3 红外测温仪和 PCI20612 数据采集卡的标定系统，获得了系数 K，得到传感器温度 - 电压曲线。

　　1 标定系统工作原理

　　1. 1 传感器工作原理[1]

　　蓝宝石光纤黑体腔温度传感器是将接触式和辐射式测温相结合，以黑体辐射理论为基础，通过测定物体的辐射强度，得到辐射体的亮度温度。该传感器在单晶蓝宝石光纤的一端镀制一层氧化锆陶瓷薄膜形成黑体腔探头，并用耐高温不锈钢制作蓝宝石光纤外壳。实验时将探头放入被测温度场中，由黑体腔快速感知热量，并辐射出光信号，辐射信号经蓝宝石光纤传输至传光光纤，通过中心波长为 850 nm 的干涉滤光片，再由SSPM( 固态光电倍增管 Solid-state Photomultiplier) 接收，最后经信号处理电路输出。传感器原理如图1 所示。

　　1. 2 K 值标定原理[2]

　　根据普朗克黑体辐射定律，当被测温度场温度为 T 时，黑体腔的单波长辐射量为

　　假设干涉滤光片的光谱响应函数为 f( λ) ，滤光片的中心波长为 λ0，带宽为 Δλ，光电探测器的光谱响应函数为 D( λ) ，考虑到更一般的情况设传感头的单色发射率为 εA( λ) ，光信号在光纤中的传输损耗为 η( λ) ，那么辐射光信号经光纤传入光电探测器后输出的电压为

　　由该式可以得出K 是一个与温度无关的常数，它取决于黑体腔的形状和腔口的面积、辐射信号在光纤中传输的损耗、光纤与探测器和黑体腔的耦合损耗、光电探测器的灵敏度和跨阻放大器的放大倍数等因素，因此只需在单一恒定温度点下标定即可测出 K 值。

　　2 标定系统组成

　　标定系统的热源采用了今典氢氧焊机，氢氧焰机火焰温度可达2 800 ℃，并且其燃烧后的产物为水蒸气，被加热物表面纯净，无残留物，不与黑体腔膜层发生化学反应。数据采集卡采用 PCI20612，可进行四通道同步采集输入信号带宽为0 Hz ～7 MHz，采样频率最高20 MHz，采用高精度 12 - bit A /DADS807E，功耗低，信噪比高。

　　标准测温仪采用了 Modline3 型红外辐射温度计，其可测最小目标直径为 0. 3 mm，有效光谱为 0. 7 ～1. 08 μm，响应时间为0. 01 ～ 60 s，温度测量范围为1 000 ～ 3 000 ℃ ，输出 0 ～ 10 V 的电压信号，精度为满量程的 0. 6%，即误差 ± 18 ℃，分辨率为0. 1 ℃ ; 已使用标准高温黑体炉对该辐射测温仪进行过校准[3]。