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光纤温度传感器具有动态范围大、 灵敏度高、 响应快、 抗电磁干扰等优点, 非常适用于等离子体沉积、 高频电加热炉及高温热气流等领域的温度测量。
在各种光纤温度传感器中, 有两类具有特别重要的应用价值: 根据普朗克辐射定律, 利用物体高温热辐射进行检测的辐射型光纤温度传感器[1]和利用物体荧光寿命与温度对应关系的荧光寿命检测型光纤温度传感器[2]。 由于物体的热辐射随温度的升高呈近指数型增长, 辐射型光纤温度传感器在高温下具有很高的灵敏度, 但无法应用于低温区域。 相反, 由于物体的荧光仅在低温区具有可检测的荧光温度特性, 而在高温区则由于荧光淬灭以及辐射背景的增加而无法适用, 因此荧光测温型光纤温度传感器适用于低温区的温度测量。 上述两种光纤温度传感器如能有机地结合在一起, 将能实现从低温到高温的大范围温度测量。 利用单一光纤探头实现大范围测温具有重要的应用价值。
蓝宝石单晶光纤由于其极好的高温物理化学性能, 非常适用于高温下光纤测温应用, 现已成功地用作辐射型光纤温度传感器的光纤传感头[1, 3]。 利用激光加热基座法(LHPG)单晶光纤生长技术, 通过在蓝宝石单晶光纤的端部掺入Cr3+离子[4], 可以实现光激发下的荧光发射。 通过荧光寿命的检测, 可以测量所对应的温度。 因此, 这种温度传感器将实现从低温到高温的全程测温。
2 系统结构及工作原理
从室温到1800℃全程测温的蓝宝石单晶光纤温度传感器的系统结构框图如图1所示,系统主要包括端部掺杂的蓝宝石单晶光纤传感头、 Y型石英光纤传导束、 超高亮发光二极管(LED)及驱动电路、 光电探测器、 荧光信号处理系统[4]和辐射信号处理系统[3]。
Fig.1 Diagram of the sapphire fiber thermometer system
系统的工作原理为: 在低温区(400℃以下), 辐射信号较弱, 系统开启发光二极管(LED)使荧光测温系统工作。 发光二极管发射调制的激励光, 经聚光镜耦合到Y型光纤的分支端, 由Y型光纤并通过光纤耦合器耦合到蓝宝石光纤温度传感头。 光纤传感头端部受激励光激发而发射荧光, 荧光信号由蓝宝石光纤导出, 并通过光纤耦合器从Y型光纤的另一分支端射出, 由光电探测器接收。 光电探测器输出的光信号经放大后由荧光信号处理系统处理, 计算荧光寿命并由此得到所测温度值。 而在高温区(400℃以上), 辐射信号足够强, 辐射测温系统工作, 发光二极管关闭。 辐射信号通过蓝宝石光纤并通过Y型光纤输出, 由探测器转换成电信号, 系统通过检测辐射信号强度计算得到所测温度。
图1中所示的光纤传感头端部由Cr3+离子掺杂, 实现光激励时的荧光发射。 掺杂部分光纤长度为8~10 mm。 端部光纤的外表面同时镀覆黑体腔, 用于辐射测温。 (这时,光纤黑体腔长度与直径之比大于10,可以满足黑体腔表观辐射率恒定的要求)[3]。 值得注意的是, 避免或减少荧光发射部分与热辐射部分的相互干扰, 对保证整个系统的性能十分重要。 经过分析, 可以发现这种干扰主要表现为: 1) 荧光信号中辐射背景信号对荧光寿命检测精度的影响, 2) 光纤表面镀覆对荧光强度的影响, 3) 光纤内Cr3+离子掺杂对黑体腔热辐射信号的影响。 以下分别加以说明。
首先考虑辐射背景对荧光寿命检测精度的影响。 由于热辐射信号强度遵守普朗克定律呈近指数变化, 在荧光测温工作的低温区内, 辐射背景很小, 而且为未加调制的直流信号, 相对于周期调制的荧光信号, 很容易用滤波电路加以消除。 因此其影响可以忽略。
其次, 考虑光纤端部表面镀覆对荧光信号强度的影响。 光纤内的掺杂离子在受激发时, 向空间各方向发出荧光, 但只有立体角满足光纤数值孔径的那部分荧光, 才能通过光纤表面的全反射由光纤导出。 经过分析, 可以发现确有部分荧光由于端部表面的镀覆而被吸收, 且影响较大(强度降低约60%)。 为保证尽可能大的信噪比, 应特意加长端部掺杂光纤长度, 使超过镀覆长度2~3 mm, 才能有效地消除表面镀覆对荧光强度的影响。
再次, 考虑离子掺杂对辐射信号的影响。 实际上, 由于高温下能带的交叠, 离子吸收的影响越来越小, 可以忽略离子掺杂对热辐射光谱的影响, 这点也已由实验证明。 图2分别为端部有Cr3+离子掺杂和没有离子掺杂的光纤在镀覆黑体腔后在1000℃时的热辐射谱(OMA采入), 显然图中没有明显的吸收谱段。 (由于两光纤测试时的位置略有不同, 使谱高度等也略有不同)。
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