1 前言

　　基于Plank黑體輻射定律，我們以鍍有高溫陶瓷的藍(lán)寶石光纖為黑體高溫傳感器構(gòu)建了高溫測試系統(tǒng)，并測試了運(yùn)動(dòng)乙炔焰的溫度。該結(jié)果對解決目前諸多工程實(shí)際應(yīng)用中瞬態(tài)高溫測試難題具有明顯地意義。

　　2.理論基礎(chǔ)

　　光纖溫度傳感器采用一種和光纖折射率相匹配的高分子溫敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纖外面，使光能由一根光纖輸入該反射面出另一根光纖輸出，由于這種新型溫敏材料受溫度影響，折射率發(fā)生變化，因此輸出的光功率與溫度呈函數(shù)關(guān)系。其物理本質(zhì)是利用光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奶卣鲄⒘?，如振幅、相位、偏振態(tài)、波長和模式等，對外界環(huán)境因素，如溫度，壓力，輻射等具有敏感特性。它屬于非接觸式測溫如圖1所示。

　　在高溫區(qū)（400℃以上），光纖溫度傳感器基于光纖被加熱要引起熱輻射的原理工作。熱輻射效應(yīng)光強(qiáng)調(diào)制型光纖溫度傳感器屬于被動(dòng)式光強(qiáng)調(diào)制，然后通過傳輸光纖送到光電二極管探測并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。采用帶黑體腔的高溫單晶藍(lán)寶石（α-Al2O3）光纖，當(dāng)黑體腔與待測溫度區(qū)熱平衡時(shí)，黑體腔就按照黑體輻射定理發(fā)射與待測溫度T相對應(yīng)的電磁輻射，其譜功率密度出射率可以用Plank公式表示為

　　其中ελ為黑體腔的譜發(fā)射率；C1=3.74×108 W·μm4/m2為輻射常數(shù)；C2=1.44×102μm·K為第二輻射常數(shù)；λ為光譜輻射波長；T為黑體輻射溫度。這一功率經(jīng)高溫光纖直接耦合進(jìn)入低溫光纖，然后射入光電二極管光敏面?？紤]到光電二極管光敏面的光譜響應(yīng)為0.4~1.1μm,同時(shí)為了使黑體腔的發(fā)射率穩(wěn)定，控制黑體腔的長徑比大于 3,于是黑體腔譜發(fā)射率ελ≈ 1。

　　其中n1、n2分別表示高溫光纖與低溫光纖、低溫光纖與光電二極管光敏面之間的功率耦合效率；S、l′、α分別表示高溫光纖截面積、長度、損耗系數(shù)。

　　在低溫區(qū)（400℃以下），輻射信號(hào)較弱，系統(tǒng)開啟發(fā)光二極管（LED），使熒光測試系統(tǒng)工作，發(fā)光二極管發(fā)射調(diào)制的激勵(lì)光，經(jīng)聚光鏡耦合到Y(jié)型光纖的分支端，由Y型光纖并通過光纖耦合器到藍(lán)寶石光纖探頭。光電探測器輸出的光信號(hào)經(jīng)放大后由熒光信號(hào)處理系統(tǒng)處理，計(jì)算出熒光壽命得到所測溫度值。

　　3.信號(hào)處理

　　與信號(hào)有關(guān)的理化或數(shù)學(xué)過程有：信號(hào)的發(fā)生、信號(hào)的傳送、信號(hào)的接收、信號(hào)的分析（即了解某種信號(hào)的特征）、信號(hào)的處理（即把某一個(gè)信號(hào)變?yōu)榕c其相關(guān)的另一個(gè)信號(hào)，例如濾除噪聲或干擾，把信號(hào)變換成容易分析與識(shí)別的形式）、信號(hào)的存儲(chǔ)、信號(hào)的檢測與控制（1.3節(jié)將專門介紹）等。也可以把這些與信號(hào)有關(guān)的過程統(tǒng)稱為信號(hào)處理。在事件變化過程中抽取特征信號(hào)，經(jīng)去干擾、分析、綜合、變換和運(yùn)算等處理，從而得到反映事件變化本質(zhì)或處理者感興趣的的信息的過程。分模擬信號(hào)處理和數(shù)字信號(hào)處理。

　　光電二極管感應(yīng)的光輻射信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大、線性化處理、A/D轉(zhuǎn)換、微機(jī)處理后給出待測溫度。為了實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量，加入多路開關(guān)，通過微機(jī)控制，選擇所測點(diǎn)。如圖2所示。

　　由于光纖給出的輸出光強(qiáng)是非線性的指數(shù)信號(hào)，這種非線性關(guān)系，在溫度數(shù)字化測量中，加進(jìn)線性化裝置進(jìn)行線性補(bǔ)償。這里選用模擬線性化，采用折線逼近方案，即用連續(xù)有限折線代替曲線的直線化方式。其特點(diǎn)是技術(shù)簡單，取決于折線段的多少。

　　4 測試方法

　　4.1熔煉過程中的探頭設(shè)置

　　在熔煉過程中，金屬液體始終處于流動(dòng)狀態(tài)；可以認(rèn)為在這個(gè)溫度場中，金屬液體各處的溫度基本一致。將探頭放置于溶液表面下10cm左右處，通過熱輻射測出溶液溫度。

　　4.2在熱處理加熱爐系統(tǒng)中的探頭設(shè)置

　　在加熱爐中，被處理的工件與爐壁進(jìn)行熱交換。輻射換熱量表示為。

　　ε1、ε2分別為工件和爐壁的黑度，φ21為角系數(shù)。當(dāng)熱平衡時(shí)候，T1=T2,Q12=0.兩者之間沒有了熱交換，這時(shí)候就可以測出工件的溫度。將探頭安置于爐壁，外接光纖測出工件的加熱溫度。

　　4.3凝固過程中的溫度測量

　　鑄件在凝固過程中，它的內(nèi)溫度場為不穩(wěn)定溫度場。在鑄件截面上某一點(diǎn)，不同時(shí)刻，溫度是不同的；在同一瞬間，鑄件截面上各點(diǎn)的溫度也不同。其溫度場是坐標(biāo)（x,y,z）和時(shí)間t的函數(shù)

　　T=（x,y,z,t）

　　為了測出鑄件在凝固過程的溫度場，研究溫度場和等溫面的變化，進(jìn)一步進(jìn)行仿真模擬，提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率，有必要對凝固過程進(jìn)行多點(diǎn)測量。測量高，可以準(zhǔn)確的反映溫度場的情況。在測量中，將探頭安置于所測點(diǎn)，通過微機(jī)來觀察和描繪溫度場。

　　4.4光纖連接

　　為了使光通道的可拆性成為可能，便于多點(diǎn)測量，為測試提供便利的測試接口，在光纖接口處采用可以拔插的光纖連接器，實(shí)現(xiàn)從光源到光纖、光纖到光纖以及光纖到探測器之間的光耦合?？紤]到在熱加工環(huán)境下使用，光纖連接器必須可靠、堅(jiān)固耐用、可維修、插入損耗小等因素，采用SC型單芯光纖連接器。這種連接器的法蘭盤中有卡簧，接口是矩形結(jié)構(gòu)，在插入中很容易對準(zhǔn)，適宜于高密度安裝，提高了操作性、損耗的穩(wěn)定性以及封裝密度。在連接中還可以采用小型封裝連接器SFF,使在較小的空間內(nèi)使用成為可能。

　　5 結(jié)論

　　在熔煉爐的加熱過程中，用鉑銠熱電偶和光纖高溫探頭對同一個(gè)溫區(qū)進(jìn)行測試；在整個(gè)溫度區(qū)域的測試過程中，對比測試結(jié)果，光纖高溫探頭與鉑銠熱電偶測試結(jié)果基本相符。光纖高溫傳感器的使用壽命長，重復(fù)性好，性能價(jià)格比高，完全可以在生產(chǎn)中替代鉑銠熱電偶，目前已經(jīng)部分應(yīng)用于生產(chǎn)過程中。