藍寶石光纖瞬態(tài)高溫傳感器技術研究

一、引言

在工程實際應用中，有許多場合需對超過1000℃的高溫進行測試，而且某些環(huán)境中還伴有強沖擊的瞬態(tài)變化過程。盡管目前已有許多高溫研究成果，但對于像火藥燃燒時的溫度、各種發(fā)動機汽缸的溫度等變化的高溫數(shù)據(jù)很難通過傳統(tǒng)的熱響應率較慢的熱電偶得到，并且所測結果是否能準確反映客觀對象的真實情況也是一個棘手的問題。

六、七十年代，輻射測溫技術有了飛速的發(fā)展，該技術具有能測量運動物體和不破壞被測對象的溫度場等特點，可用于瞬態(tài)溫度的測量。國內外許多研究機構對此進行了研究，并開發(fā)了相應的產(chǎn)品。美國Vanzette公司首先生產(chǎn)了帶光導纖維探頭的輻射溫度計。 R.R.Dils 的專利U.S.Patent #4、750、139介紹了一種用藍寶石光導棒溫度傳感器測量高溫的方法。盡管已經(jīng)有了商業(yè)化產(chǎn)品，但大部分傳感器測溫范圍低，響應速度慢，遠不能滿足瞬態(tài)溫度測量的要求，而且價格昂貴。

在國內，清華大學、浙江大學及西安電子科技大學等高校也開展了光纖高溫傳感器方面的研究。清華大學周炳琨等人于1989年1月申請了光纖黑體腔溫度傳感器專利。863計劃項目之一，浙江大學物理系沈永行等人所研制的藍寶石黑體腔光纖傳感器，采用高發(fā)射率的陶瓷高溫燒結制成的微型光纖感溫腔，具有良好的長期穩(wěn)定性和較高的測試精度;其靜態(tài)測溫范圍為500℃～1800℃，測溫精度優(yōu)于±0.2%，已開始少量應用，并正在進一步推廣之中。但總的來說，國內的工作多集中在靜態(tài)高溫測試中，動態(tài)測試研究較少。

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

二、系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)由藍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、光纖和光電探測器組成，其結構見圖1。它的工作原理如下：當藍寶石黑體溫度傳感器靠近某高溫輻射源時，熱容很小的黑體溫度傳感器迅速達到熱平衡，由黑體輻射理論可知，其開始向藍寶石光纖輻射熱信號。熱量輻射信號經(jīng)過錐形光纖和普通光纖長距離傳輸后接到光電探測器。藍寶石黑體溫度傳感器與錐形光纖通過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行濾光。這里，采用錐形光纖的目的是為了提高藍寶石黑體溫度傳感器輸出信號的傳輸效率。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器，該探測器的連接電路原理圖和相對光譜靈敏度曲線如圖2所示，

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