藍(lán)寶石光纖瞬態(tài)高溫傳感器技術(shù)研究

一、引言

在工程實(shí)際應(yīng)用中，有許多場(chǎng)合需對(duì)超過(guò)1000℃的高溫進(jìn)行測(cè)試，而且某些環(huán)境中還伴有強(qiáng)沖擊的瞬態(tài)變化過(guò)程。盡管目前已有許多高溫研究成果，但對(duì)于像火藥燃燒時(shí)的溫度、各種發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的溫度等變化的高溫數(shù)據(jù)很難通過(guò)傳統(tǒng)的熱響應(yīng)率較慢的熱電偶得到，并且所測(cè)結(jié)果是否能準(zhǔn)確反映客觀對(duì)象的真實(shí)情況也是一個(gè)棘手的問(wèn)題。

六、七十年代，輻射測(cè)溫技術(shù)有了飛速的發(fā)展，該技術(shù)具有能測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體和不破壞被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)等特點(diǎn)，可用于瞬態(tài)溫度的測(cè)量。國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了研究，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品。美國(guó)Vanzette公司首先生產(chǎn)了帶光導(dǎo)纖維探頭的輻射溫度計(jì)。 R.R.Dils 的專(zhuān)利U.S.Patent #4、750、139介紹了一種用藍(lán)寶石光導(dǎo)棒溫度傳感器測(cè)量高溫的方法。盡管已經(jīng)有了商業(yè)化產(chǎn)品，但大部分傳感器測(cè)溫范圍低，響應(yīng)速度慢，遠(yuǎn)不能滿足瞬態(tài)溫度測(cè)量的要求，而且價(jià)格昂貴。

在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)、浙江大學(xué)及西安電子科技大學(xué)等高校也開(kāi)展了光纖高溫傳感器方面的研究。清華大學(xué)周炳琨等人于1989年1月申請(qǐng)了光纖黑體腔溫度傳感器專(zhuān)利。863計(jì)劃項(xiàng)目之一，浙江大學(xué)物理系沈永行等人所研制的藍(lán)寶石黑體腔光纖傳感器，采用高發(fā)射率的陶瓷高溫?zé)Y(jié)制成的微型光纖感溫腔，具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和較高的測(cè)試精度;其靜態(tài)測(cè)溫范圍為500℃～1800℃，測(cè)溫精度優(yōu)于±0.2%，已開(kāi)始少量應(yīng)用，并正在進(jìn)一步推廣之中。但總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)的工作多集中在靜態(tài)高溫測(cè)試中，動(dòng)態(tài)測(cè)試研究較少。

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(cè)試系統(tǒng)，并測(cè)試了運(yùn)動(dòng)乙炔焰的溫度。該結(jié)果對(duì)解決目前諸多工程實(shí)際應(yīng)用中瞬態(tài)高溫測(cè)試難題具有明顯地意義。

二、系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)由藍(lán)寶石黑體溫度傳感器、ST連接器、錐形石英光纖、耦合器、濾光片、光纖和光電探測(cè)器組成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。它的工作原理如下：當(dāng)藍(lán)寶石黑體溫度傳感器靠近某高溫輻射源時(shí)，熱容很小的黑體溫度傳感器迅速達(dá)到熱平衡，由黑體輻射理論可知，其開(kāi)始向藍(lán)寶石光纖輻射熱信號(hào)。熱量輻射信號(hào)經(jīng)過(guò)錐形光纖和普通光纖長(zhǎng)距離傳輸后接到光電探測(cè)器。藍(lán)寶石黑體溫度傳感器與錐形光纖通過(guò)ST連接器相連，而帶通濾光片的耦合器則將錐形光纖同普通石英光纖連接并進(jìn)行濾光。這里，采用錐形光纖的目的是為了提高藍(lán)寶石黑體溫度傳感器輸出信號(hào)的傳輸效率。我們選用帶有尾纖和ST接頭的硅混合集成FET-PIN光電接收器件作為光電探測(cè)器，該探測(cè)器的連接電路原理圖和相對(duì)光譜靈敏度曲線如圖2所示，

性能指標(biāo)如下：光譜響應(yīng)范圍0.5mm～1.1mm;暗電流小于400mV;響應(yīng)度大于2500mV/mV;脈沖相應(yīng)時(shí)間小于3.5ms;高可靠性ST接頭，牢固的同軸封裝。光電探測(cè)器的輸出信號(hào)可接示波器或數(shù)據(jù)采集裝置。