光纤温度传感器的应用及发展

光纤温度传感器的应用及发展光纤温度传感器的应用及发展 ! 刘丽华" 王军" 新力# 蒋秀珍" 李鹏生" "$哈尔滨工业大学自动化测试与控制系哈尔滨 "%&&&"’ #$中国船舶重工集团公司第七研究院哈尔滨 "%&&&"’ 摘要详细地分析了国内外主要光纤测温方法的原理及特点(给出了不同方法的温度测量范围和性能指标(在此基础上提出了一种适用于燃气轮机工作温度测量的新型光纤温度传感器的结构设计和工作原理) 关键词温度测量光纤传感器工作原理 *++,-./012/345/6.7.,8+9.518:;-8+1-?@.9+...

光纤温度传感器的应用及发展 ! 刘丽华" 王军" 新力# 蒋秀珍" 李鹏生" "$哈尔滨工业大学自动化测试与控制系哈尔滨 "%&&&"’ #$中国船舶重工集团公司第七研究院哈尔滨 "%&&&"’ 摘要详细地分析了国内外主要光纤测温方法的原理及特点(给出了不同方法的温度测量范围和性能指标(在此基础上提出了一种适用于燃气轮机工作温度测量的新型光纤温度传感器的结构设计和工作原理) 关键词温度测量光纤传感器工作原理 *++,-./012/345/6.7.,8+9.518:;-<.=>8+1-?@.9+.=412=.0.5A8= BCDBCEDF" GFHI JDH" KCH BC# JCFHIKCDLEMH" BCNMHIOEMHI" P$QRSTUVWXYUZ[YR\]R[^X_RZR‘YabU‘Y_Uc(d[_ef‘g‘^YfYXYRUVhRij‘UcUkl(d[_ef‘PmnnnP(bjf‘[’ o$bjf‘[p[YR_i_[VYdR[qlg‘\X^Y_ldUc\f‘kbUZS[‘l(hjRrRqR‘YjWi[\RZR(d[_ef‘PmnnnP(bjf‘[’ * 公式 8 4-92#:9; < * !"=+>-?!1@=9+"2+"A= #:9B*9’ -12 式中 :977全辐射率 B*77斯蒂潘77玻尔兹曼常数 B*#>%,,C&)"*+(-.@01/3’2 因此6只要测量出全波长下辐射通量6则被测温度就可以确定5测量温度-黑体温度29D和实际温度9的关系为8 9#9D:+ " ’ 9 -$2 式中 :9#*E" 图 " 不同温度下黑体的辐射功率测量中由于周围背景的辐射F测试距离F介质的吸收F发射及透过率等的变化都会严重影响准确度5同时辐射率也很难预知5但因该高温计的结构简单6使用操作方便6而且自动测量6测温范围宽6故在工业中一般作为固定目标的监控温度装置5该类光纤温度计测量范围一般在 ,**E$***G6最大误差为 ",G5 H%H 单辐射测温法由黑体辐射定律可知6物体在某温度下的单色辐射度是温度的单值函数6而且单色辐射度的增长速度较温度升高快得多6可以通过对于单辐射亮度的测量获得温度信息5在常用温度与波长范围内6单色辐射亮度用维恩公式表示8 :-=692 !" I= +>?+ !1 =J#!"I= +>?+ !1 =9D -’2 两边取对数后6经整理得到8 " 9D+ " 9# = !1KL " := ->2 式中 9D77黑体温度 977实际温度 :=77被测物在工作波长 =的单辐射率测量中6从温度传感器读出 9D6然后根据式->2计算被测温度 95 在测温中-图 12所选波段越窄越好6这样容易排除许多干扰辐射5该类仪器的测温范围一般在 $**E 1***GM分辨率为 "GM误差在N*%>O左右5 "探头 1蓝宝石单晶光纤 $联接器 ’普通石英光纤 >透镜 ,滤光片 &光电探测器图 1 单辐射光纤温度传感器结构 H%P 双波长测温法双波长测温法是利用不同工作波长的两路信号比值与温度的单值关系确定物体温度5两路信号的比值由下式给出8 Q-92# ; ="RS="@1 ="+S="@1 4-=6923"-=2T"-=2A= ; =1RS=1@1 =1+S=1@1 4-=69231-=2T1-=2A= -,2 式中 ="FS="与 =1FS=177分别为两测量点处的波长和带宽 T"-=2FT1-=277滤光片的透光率 3"-=2F31-=277光电探测器的光谱响应 4-=69277单位面积物体在半球方向F单位时间的辐射通量即单色辐射度 4-=692由普朗克公式给出8 4-=692# !" => :-=2 ?UV-!1=92+" -&2 利用式-,2绘出 Q-92+9的关系曲线如图 $所示6图中曲线 "E(所对应的 =分别为 *%>6*%,6*%&6 *%(6"%*6"%161%*6$%*W06=1#="RX=6X=#*%1W05实 (’> 仪器仪表学报第 1’卷万方数据际应用时!测得 "#$%后!通过查表获知温度 $& 同时!恰当地选择 ’(和 ’)!使被测物体在这两特定波段内!*#’(!$%与 *#’)!$%近似相等!就可得到与辐射率无关的目标真实温度&这种方法响应快!不受电磁感应影响!抗干扰能力强&特别在有灰尘!烟雾等恶劣环境下!对目标不充满视场的运动或振动物体测温!优越性显著&但是!由于它假设两波段的发射率相等!这只有灰体才满足!因此在实际应用中受到了限制&该类仪器测温范围一般在 +,,-.,,,/!准确度可达 )/& 图 . "#$%0$曲线 123 多波长辐射测温法多波长辐射测温法是利用目标的多光谱辐射测量信息!经过数据处理得到真温和材料光谱发射率&考虑到多波长高温计有 4个通道!其中第 5个通道的输出信号 65可表示为7 65895:*#’5!$%:;(:’0<5 :=>?#0 ;) ’5$% 58(!@@4 #A% 式中 95BB通道的几何因子 95与该波长下探测器的光谱响应率C光学元件透过率及几何因素有关!可以通过标定得到D *#’5!$%BB温度 $的目标光谱发射率 $BB目标的温度这样!整个多波长高温计共有 4个方程!而未知数有 * #’5!$%和 $共#4E(%个!无法求解&因此!必须借助其他辅助方程&一般选择 *#’!$%和 ’这一函数假设&其中著名假设有7 F4*#’!$%8GEH’ #I% F4*#’!$%8J K 58, G5:’5 #KL40)% #(,% *#’!$%8G,EG(’ #((% *#’!$%8 ()M(EN54#G,EG(’%O #()% *#’!$%8=>?M0#G,EG(’%)O #(.% 将式#I%-#(.%中的任何一式与式#A%联合!便可通过拟合或解方程的方法求得温度 $和光谱发射率& PQGR=NMA!IO在 (IAA年讨论了式#I%C#(,%假设下多波长高温计数据拟合方法和精度问题&(II(年 SG4NQQTM(,O 等总结了多波长高温计数据拟合方法和精度问题& 该方法有很高的精度!目前欧共体及美国联合课题组的 U5=T4GVR等人已研究出亚毫米级的 +波长高温计#图W%!用于 ),,,-<,,,X真温的测量M((O&哈尔滨工业大学研制成了棱镜分光的 .<波长高温计!并用于烧蚀材料的真温测量&多波长高温计在辐射真温测量中已显出很大潜力!在高温!甚高温!特别是瞬变高温对象的真温测量方面!多波长高温计量是很有前途的仪器&该类仪器测温范围广!可用于 +,,-<,,,/温度区真温的测量!准确度可达Y(Z& [(0主物镜 \6(0第一视场光栏 [)0中继物镜 ]60孔径光栏 \6)0主视场光栏 [.0场镜 \^ 0光纤束 [W0准直物镜 \0干射滤光片 S(CS)0平面反射镜 _0衰减片转轮图 W 多波长光纤高温计结构 ‘ 用于燃气轮机温度检测的光纤传感器燃气轮机叶片温度和间隙的精确测量!直接关系着其工作效率和运行安全&基于燃气轮机内部工作环境恶劣C温度高C空间狭小C干扰严重等特点&本文根据实际使用情况提出了一种基于双波长测温原理的光纤传感器结构&研究表明!双波长测温法可以有效地抑制周围环境的影响!光纤温度传感器工作原理如图 <所示!辐射光沿多模光纤传输!经不同探测器形成两路探测信号!分别通过交流放大滤波!以提高信噪比和测量精度&在光纤末端加入扰模器!可以部分消除因光纤弯曲C扭转等不定因素所带来的随机传输损耗!提高系统的稳定性&该传感器采用多根 )<,aK芯径的石英光纤作为空间传输光路!使环境干扰因素如尘埃C水汽等对测量结果的影响减小!其测温范围在 .,,-(,,,/!准确度可达Y)/& IW<第 <期光纤温度传感器的应用及发展万方数据图 ! 双波长辐射测温原理框图 " 结论光纤技术的发展#为非接触式测温在生产中的应用提供了非常有利的条件$光纤测温技术解决了许多热电偶和常规红外测温仪无法解决的问题$而在高温领域#光纤测温技术越来越显示出强大的生命力$ 全辐射测温法是测量全波段的辐射能量而得到温度#周围背景的辐射%介质吸收率的变化和辐射率 &’ 的预测都会给测量带来困难#因此难于实现较高的精度$单辐射测温法所选波段越窄越好#可是带宽过窄会使探测器接收的能量变得太小#从而影响其测量准确度$多波长辐射测温法是一种很精确的方法#但工艺比较复杂#且造价高#推广应用有一定困难$双波长测温法采用波长窄带比较技术#克服了上述方法的诸多不足#在非常恶劣的条件下#如有烟雾%灰尘%蒸汽和颗粒的环境中#目标表面发射率变化的条件下#仍可获得较高的精度$在燃气轮机温度检测的应用中#针对其内部工作环境的恶劣%干扰严重等特点#本文提出了一种基于双波长测温法的光纤传感器的结构设计#能够较好地实现温度的补偿#达到较高的准确度$ 参考文献 ( 魏勇德)光纤测量技术初探)天津化工#(**+#,-./+-0+!) 1 曹柏林#杨鸿)辐射测温技术的应用研究)天津理工学院学报#(**2#(+,1./!30!2) - 胡瑞华#栾松#孙宁克)非接触测温的辐射测温法)大连轻工业学院学报#(**4#(3,(./220*5) + 王莉田#郑龙江#王玉田#等)一种亮度式光纤温度测量仪) 激光与红外#(**2#12,1./((30((2) ! 路小波#吴志鹤#徐海光#等)光纤燃气温度传感器及测试系统)仪器仪表学报#1555#1(,+./+110+1+) 3 辛军#林铁生#冯其波#等)新型高精度双波长光纤高温计的研究)北方交通大学学报#(**4#1(,3./3!4033-) 4 戴景民#杨茂华#褚载祥)多波长辐射测温仪及其应用)红外与毫米波学报#(**!#(+,3./+3(0+33) 2 6789:;< =)’>:?:8;9@;AB8C:;8DDC78E> 97 FB?9G@ H8I:?:JK9>DLC7F:9CL)MGK>’:FD@MGK> ;D:EGOGE89G7J GJ FB?9G@ H8I:?:JK9>DLC7F:9CL)MGK>’:FD@MGK>8C?LQ#’>7F8;N S#:98?) T7JE7J98E9 9:FD:C89BC: F:8;BC:F:J9) UU) V:8;9 ;AB8C:;W8;:X9:E>JGAB:;)Y:I)ZEG)UJ;9CBF)#(**(# 31,1./+5-0+5*) (( M:CJ8B9[<#=:B\:C;Y#M:GJ]N#:98?)ZBWFG??G;:@ E7JX;G^@H8I:?:JK9> DLC7F:9:CO7C>GK>@9:FD:C89BC: F:8;BC:F:J9;GJ9>:C8JK:155597!555R)MGK>’:FD@ MGK>

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