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收稿日期 :2005210219 ; 修改日期 :2005211204 基金项目 : 安徽省教育厅自然科学基金资助项目 (2004kj365zc) 作者简介 : 朱达荣 (1968 - ) ,男 ,安徽安庆人 ,安徽建筑工业学院工程师 .
第7期
朱达荣 ,等 : 光纤比色测温传感器的原理及设计
( 5) (λ, T) 为辐射系数 其中 , ε
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。
当采用单色光纤。因此 , E 不仅与 T 有关 , 还与ε有关 ,ε的变化将影响到发 射能量 。 采用比色光纤传感器测温可以克服单色测温 的不足
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- 2
2. 2 传输光纤
2 光纤比色测温传感器的设计
光纤挠性好 、 透光谱段宽 、 传输损耗低 , 无论 是就地使用或远传均十分方便 , 而且光纤直径小 , 可以单根 、 成束 、 Y 型或阵列方式使用 , 结构布置 简单且体积小
[6 ]
。因此 , 作为温度计适用的检测
对象几乎无所不包 , 可用于其他温度计难以应用 的特殊场合 , 如密封 、 高电压 、 强磁场 、 核辐射 、 严 格防爆 、 防水 、 防腐 、 特小空间或特小工件等 光纤温度传感器可分为 2 类 :
是用热电偶测量排气温度 , 然后用经验公式间接 推算出涡轮前的燃气温度 。 显然 ,在这种高温燃气形成的强温度场下 ,用 热电偶接触测温法已不能适应要求 。 针对高速喷射燃气这一特殊条件 , 采用石英 光纤作为传输媒介进行远距离传输 , 采取辐射测 温技术中的比色法进行测温 , 可以克服一般辐射 [4 ] 测温的不足 。
5
C
e
( ) T λ -λ
1 2
2
1
1
( 7)
λ 由此可以看出 , 当选定 λ 1 、 2 后 , 辐射能量之 比 R ( T) 仅仅是 T 的函数 , 也就是说 R ( T) 取决于
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合肥工业大学学报 ( 自然科学版)
第 29 卷
物体的表面温度 。这就是比色光纤测温仪的测量 原理 , 即比色测温就是通过测量入射辐射在 2 个 不同波段下的探测器的信号比而求得的 。
第 29 卷 第 7 期 2006 年 7 月
合肥 工 业 大 学 学 报
(自然科学版)
J OU RNAL O F H EFEI UN IV ERSIT Y O F TEC HNOLO GY
Vol . 29 No . 7 J ul . 2006
光纤比色测温传感器的原理及设计
朱达荣1 , 孙 兵
, 因为就某一温度而言 , 辐射能量的衰减
在 2 个波长下几乎相同 , 因而不会影响它们之间 的比值 。 λ 设物体在波长λ 1 、 2 下的光谱辐射能量的比 值为 R , 即测量到的信号比为 ε (λ E (λ 2 / T) 2 T) λ 2 R ( T) = = ε (λ E (λ 1 T) 1 T) λ 1
( 1) 利用辐射式测量原理 , 光纤作为传输光
[3 ,7 ]
。
通量的导体 , 配合光敏元件构成结构型传感器 。
( 2) 光纤本身就是感温部件 , 同时又是传输
光通量的导体的功能型传感器 。 光纤温度传感器由光耦合器 、 传输光纤及信 号处理单元组成 。
2. 1 光耦合器
光纤是一种透明度较高的材料制成的传输光 信息的导光纤维 。用光纤原理测温 , 传感器的体 积很小 , 不破坏被测温场 、 耐高温高压 、 抗化学腐 [1 , 3 ] 蚀、 物理和化学性能稳定 。 为了尽量减小光在传输中的损失 , 最大限度 到达探测端 , 同时又要兼顾到传输光的波长 , 在大 [7 ] 多数情况下 , 光纤材料是采用玻璃或石英纤维 。 因为它们在 0 . 5 ～ 2 μm 的光谱间隔内有良好的 传输性能 , 这里采用玻璃纤维 ( 62 . 5/ 125 μm) 。 由于用单根光纤传输 , 其传输能量有限 , 致使 在传输距离上受到限制 , 为了解决这个问题 , 扩大 光的接收面积 , 提高接收光的辐射能量 , 传感器采 用多根 100/ 125 大芯径的光纤作为空间传输光 路 , 使环境干扰因素如尘埃 、 水汽等对测量结果 [6 ] 的影响大大减小 。 考虑到标准光纤连接器的陶瓷芯的尺寸只有 1 mm , 通过计算至少可容纳 48 根光纤 , 加上留有 的一定余量 , 取 40 根光纤比较合适 。那么 , 光纤 耦合器端的光纤就有 80 根 。光纤束端面示意图 , 如图 3 所示 。
光耦合器包括圆柱形金属外壳 、 透镜和光纤 束组成 。为了提高聚焦的效率 , 同时不对目标尺 寸有过分的限制 , 使用了一个透镜 , 把被测目标聚 焦到光纤端面上 。耦合器的结构 , 如图 2 所示 。
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1 测量原理
1. 1 辐射测温原理
在这样的曲线上取 2 个不同的波长 , 它们所对应 的能量是不同的 。根据这一特性研制出光纤比色 传感器 , 其理论推导如下 :
在测温学中 ,就温度传感器与被测温场之间 的关系而言 ,测温方法可以分为接触测温法和非 [5] 接触测温法 ( 也称为辐射测温法) 两类 。 一切高于绝对零度的物体都存在红外辐射现 象 ,物体的红外辐射特性 — — — 辐射能量的大小及 其按波长的分布与其表面温度有着十分密切的 关系 。 通过对物体自身辐射的红外能量进行测量 , 再进行一定的信号处理 , 便能准确地测定物体的 表面温度 ,这就是红外辐射测温所依据的原理 。 任何物质在一定温度下都有热辐射 , 黑体是 一种理想体 ,它在任何温度下都能全部地吸收投 [5 ] 射到其表面上的任何波长的辐射能量 。普朗克 定律准确地描述出黑体的辐射能量与波长以及温 度之间的关系 。 λ ) 内辐射强度的具 黑体在波长间隔 (λ,λ+ d [4 ] 体函数形式 为 C /λ T 0 -5 -1 ( 1) d Mλ,λ+dλ = C1λ ( e 2 - 1) 其中 , C1 和 C2 分别是第 1 、 第 2 辐射常数 , 其数值 分别为 3 . 741 8 × 10 和 1 . 348 8 × 10 。 [4 ] 由此 , 黑体的单色辐射度为 C /λ T 0 -5 -1 ( 2) MλT = C1λ ( e 2 - 1) λ 其中 , 是指真空中的波长 , 用于空气环境测量 时 , 须受空气折射率的影响 。考虑到空气折射率 , 普朗克定律的准确函数形式就变为 C /λ T 0 -2 -5 -1 ( 3) MλT = C1 n λ ( e 2 - 1) 其中 , n 为空气折射率 , n = 1 . 000 29 。 ) 和波 长 在非常实 用的 温度 ( T < 3 000 ℃ (λ< 0 . 8 μm) 范围内 , C2 /λT µ 1 , 因此普朗克定 律公式可以用函数形式比较简单的维恩近似公式 [4 ] 来替代 , 即 T 0 - 5 - C /λ ( 4) MλT = C1λ e 2 普朗克函数在不同温度下按波长分布的曲线 图 , 如图 1 所示 。 由图 1 可以看出 , 普朗克曲线的峰值波长随 着温度的升高而向短波长方向移动 。 1. 2 比色测温原理 从图 1 可以看出 , 每一条温度曲线都不是一 条线性的直线 , 即曲线上每一点的斜率都在变化 ,
Abstract : The basic p rinciple of colorimet ry in radiatio n temperat ure measurement is int roduced fir st . Then t he design of a novel fiber2optic sensor used for temperat ure measurement in t he gas t urbine is described in detail . The measuring system can eliminate t he dist urbance effect in t he optical pat h of t he sensor , t hus t he p ro blem of instabilit y is solved and t he measuring p recisio n and stabilit y are greatly enhanced. The experimental result s have p roved t he correct ness of t heoretical investigatio n. Key words :optical fiber ; inf rared radiatio n temperat ure measurement ; colorimet ry
0 引 言
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 , 尤其在高温领域 , 光纤 [ 1 ,2 ] 测温技术越来越显示出强大的生命力 。 在燃气轮机温度检测的应用中 , 针对其内部 工作环境恶劣 、 干扰严重等特点 ,传统的测量方法
[4 ]
λ /μm
1 . 6 000 K 2 . 4 000 K 3 . 2 000 K 4 . 1 000 K 5 . 500 K 6 . 300 K
图1 普朗克函数在不同温度下按波长分布的曲线图
由于实际物体并非绝对黑体 , 即 ( 4 ) 式可以 变为 T 0 - 5 - C /λ (λ, T) MλT = ε (λ, T) C1λ e 2 E (λ, T) = ε
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C
e
( ) T λ -λ
1 2
2
1
1
( 6)
由于许多物体都可以近似地认为是灰体 , 因 此削弱了ε(λ, T) 的影响 。同时 , 选用恰当的 λ 1 、 λ — — 窄带高透干涉滤波片 , 使被测物体在这 2 2 — (λ (λ 个特定的波段内ε 1 T) 与ε 2 T ) 近似相等 , 可推 导出 λ 2 R ( T) = λ 1