高溫藍(lán)寶石光纖溫度傳感器校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)研究

閻 濤，趙 靖，袁玉華，王志浩

（1.航天科技集團(tuán)公司四十四所 陜西 西安 710065；2.航天科技集團(tuán)公司四〇一所 陜西 西安 710025）

在溫度測(cè)量應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)遇到高溫含氧、易燃易爆、強(qiáng)電磁干擾等惡劣的工作環(huán)境，此時(shí)傳統(tǒng)的測(cè)溫技術(shù)如熱敏電阻、熱電偶、溫敏二極管等難以滿足實(shí)際的使用需要，因此光纖溫度傳感器憑借其極高的靈敏度和精度、固有的安全性、良好的抗電磁場(chǎng)干擾能力、高絕緣強(qiáng)度以及耐腐蝕、重量輕、體積小、寬頻帶等優(yōu)點(diǎn)取得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其中藍(lán)寶石光纖溫度傳感器更是以其較高的溫度測(cè)量上限、出色的測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以及接觸式測(cè)溫直接準(zhǔn)確的特點(diǎn)，在一些特殊的高溫測(cè)量領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重大的作用[1]。

高溫藍(lán)寶石光纖溫度傳感器是一種基于黑體輻射原理的接觸式穩(wěn)態(tài)溫度傳感器，它是在傳統(tǒng)的藍(lán)寶石光纖溫度傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上[2]，通過(guò)設(shè)置獨(dú)立的感溫帽結(jié)構(gòu)、使用低熱導(dǎo)率的陶瓷保護(hù)套管進(jìn)行隔熱保護(hù)以及合理設(shè)計(jì)藍(lán)寶石光纖的安裝位置等措施，使該類(lèi)傳感器的溫度測(cè)量上限從1 900℃提高到了2 400℃以上，從而為其研究和應(yīng)用的發(fā)展開(kāi)辟了更為廣闊的空間。為了模擬傳感器的實(shí)際安裝測(cè)量方式，本文設(shè)計(jì)研究了一種適用于高溫傳感器的標(biāo)定和測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)氧乙炔高溫綜合測(cè)試平臺(tái)和上位機(jī)測(cè)試應(yīng)用軟件的結(jié)合，為傳感器試驗(yàn)提供了一個(gè)穩(wěn)定、可靠、安全、便捷的平臺(tái)。

1 傳感器測(cè)溫原理

1.1 溫度測(cè)量原理

高溫藍(lán)寶石光纖溫度傳感器主要由傳感器探頭、傳輸光路及后端的信號(hào)處理顯示部分組成。根據(jù)黑體輻射理論，任何物體當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度時(shí)都會(huì)以電磁波的形式向外輻射能量，而且該輻射量與溫度呈近似的指數(shù)關(guān)系[3]。高溫傳感器就是通過(guò)探頭前端的感溫帽來(lái)感受被測(cè)溫度場(chǎng)并產(chǎn)生熱輻射，輻射光被藍(lán)寶石光纖接收后經(jīng)透鏡結(jié)構(gòu)耦合到石英光纖中，傳輸?shù)胶蠖说男盘?hào)處理模塊中進(jìn)行窄帶濾光、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理、AD采樣和數(shù)字信號(hào)處理，最后傳遞到上位機(jī)中進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

圖1 高溫傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of ultrahigh temperature sensor

對(duì)高溫傳感器而言，感溫輻射腔在測(cè)量過(guò)程中并不處于等溫狀態(tài)，因此并不能等效為黑體輻射腔，Plank黑體輻射公式也并不適用。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，使用Plank公式進(jìn)行溫度解調(diào)的誤差在120℃以上，無(wú)法滿足傳感器的使用要求，為此在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究的基礎(chǔ)上對(duì)Plank公式進(jìn)行了補(bǔ)償修正，其算法公式為：

式中 Tp是 Plank 公式的計(jì)算溫度，V（λ0，T）為傳感器的輸出電壓，A1、A2、A3是補(bǔ)償修正系數(shù)，T是補(bǔ)償修正后的結(jié)果。其中

式中C1和C2分別是第一與第二輻射系數(shù)，其中η（λ）為光信號(hào)傳輸過(guò)程中的各種損耗，f（λ）為干涉濾光片的光譜響應(yīng)函數(shù)，D（λ）為光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)函數(shù)，εA（λ0）為輻射腔的單色發(fā)射率，λ0為窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)，Δλ為濾光片的半波帶寬。

1.2 多溫度點(diǎn)的標(biāo)定原理

高溫傳感器的標(biāo)定是為了實(shí)現(xiàn)溫度解調(diào)計(jì)算公式中未知參數(shù)的求取。式中的數(shù)值理論上可以由公式（3）直接計(jì)算得到，但由于實(shí)際系統(tǒng)的復(fù)雜性及各種因素的影響，該參數(shù)通常難以精確計(jì)算，但在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)受溫度的影響不大，因此在傳感器系統(tǒng)確定的情況下可以將其看作是一個(gè)常數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定來(lái)得到。另外，補(bǔ)償修正系數(shù)A1、A2、A3也需要根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合來(lái)得到。

在標(biāo)定過(guò)程中需要首先求取參數(shù)B（λ0），根據(jù)Plank公式有：

之后根據(jù)公式 （1）采用最小二乘擬合的方法計(jì)算系數(shù)A1、A2、A3。因此標(biāo)定過(guò)程至少需要三組傳感器輸出電壓-輻射測(cè)溫儀溫度示值的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)越多，在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的整體平均誤差就越小。

2 標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)

2.1 氧乙炔高溫綜合測(cè)試平臺(tái)

氧乙炔高溫綜合測(cè)試平臺(tái)是為了滿足傳感器的標(biāo)定和測(cè)試需求而設(shè)計(jì)的，該平臺(tái)使用氧乙炔火焰作為試驗(yàn)的熱源，通過(guò)閥門(mén)分別對(duì)氧氣和乙炔兩種氣體的壓力和流量進(jìn)行控制，并由壓力變送器和質(zhì)量流量計(jì)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示；兩種氣體在噴槍口外混合并燃燒，噴槍的位置通過(guò)三維手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而改變火焰的燒蝕位置和燒蝕深度，以使傳感器的感溫探頭處于不同的溫度場(chǎng)中；傳感器探頭安裝在夾持固定平臺(tái)上，并由循環(huán)水冷卻系統(tǒng)對(duì)其安裝部分進(jìn)行隔熱降溫。

在標(biāo)定和測(cè)試過(guò)程中，使用IRCON公司的Modline 5R-3015型紅外測(cè)溫儀作為參考溫度基準(zhǔn)，其溫度測(cè)量范圍是 1000～3000℃，測(cè)量誤差在 0.5%以內(nèi)，而對(duì)于 1000℃以下的溫度測(cè)量使用熱電偶進(jìn)行，通過(guò)兩者數(shù)據(jù)的交叉融合為傳感器提供整個(gè)量程范圍內(nèi)的溫度基準(zhǔn)。測(cè)溫儀固定在二維轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)上，通過(guò)調(diào)節(jié)水平和豎直角度來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量焦點(diǎn)的靈活選擇。

圖2 氧乙炔高溫綜合測(cè)試臺(tái)外觀Fig.2 Appearance of the high-temperature comprehensive testing platform of oxyacetylene

圖3 氧乙炔高溫綜合測(cè)試臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)Fig.3 Basic structure of the high-temperature comprehensive testing platform of oxyacetylene

2.2 上位機(jī)測(cè)試應(yīng)用軟件

為滿足高溫傳感器試驗(yàn)過(guò)程中的標(biāo)定和測(cè)試需要，本文使用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW編寫(xiě)了上位機(jī)測(cè)試應(yīng)用軟件[4]。該軟件主要用于將傳感器的溫度計(jì)算結(jié)果與輻射測(cè)溫儀和熱電偶提供的溫度基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比顯示及存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)傳感器多溫度點(diǎn)下的標(biāo)定功能。

在多溫度點(diǎn)標(biāo)定計(jì)算中，除包含了加減乘除等基本運(yùn)算外，還需要基于最小二乘法的曲線擬合運(yùn)算，該算法的編寫(xiě)相對(duì)復(fù)雜，但可以在LabVIEW軟件中使用MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)調(diào)用lsqcurvefit函數(shù)從而非常方便地實(shí)現(xiàn)。使用MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)標(biāo)定參數(shù)計(jì)算的子程序如圖4所示。

圖4 基于MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)的標(biāo)定參數(shù)計(jì)算程序Fig.4 Calculation program of calibration parameters based on MATLAB script

3 傳感器的標(biāo)定及測(cè)試

3.1 多溫度標(biāo)定過(guò)程

在進(jìn)行傳感器標(biāo)定和測(cè)試試驗(yàn)之前，需要將傳感器探頭固定在夾持固定平臺(tái)上，調(diào)整輻射測(cè)溫儀的焦點(diǎn)位置，使其對(duì)準(zhǔn)探頭前端并且兩者之間的距離約為120 mm；運(yùn)行上位機(jī)軟件，設(shè)置好濾光片波長(zhǎng)等參數(shù)并與傳感器和輻射測(cè)溫儀分別建立通訊；在冷卻系統(tǒng)中通入循環(huán)水，點(diǎn)燃氧乙炔火焰并將兩種氣體的流量分別調(diào)整到最佳數(shù)值，通過(guò)移動(dòng)噴槍位置就可使探頭處于不同的溫度中。

由多溫度點(diǎn)的標(biāo)定原理可知，標(biāo)定過(guò)程需要在至少三個(gè)溫度下進(jìn)行，待傳感器輸出穩(wěn)定后將傳感器輸出電壓-輻射測(cè)溫儀溫度示值對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)存入標(biāo)定數(shù)組中，當(dāng)存入三組以上的數(shù)據(jù)后就可以點(diǎn)擊“完成標(biāo)定”來(lái)計(jì)算參數(shù)值。在標(biāo)定過(guò)程中，由于傳感器探頭存在一定的熱響應(yīng)時(shí)間，因此必須等輻射測(cè)溫儀示值和傳感器輸出都達(dá)到穩(wěn)定后才能進(jìn)行標(biāo)定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，否則會(huì)使傳感器的標(biāo)定誤差過(guò)大，甚至造成標(biāo)定參數(shù)計(jì)算錯(cuò)誤，影響傳感器的實(shí)際應(yīng)用。

標(biāo)定過(guò)程中的數(shù)據(jù)曲線如圖5所示，其中下方曲線為傳感器的計(jì)算溫度，上方曲線為輻射測(cè)溫儀的測(cè)量溫度。從圖中可以看到，傳感器分別在1 100、1 504和2 070℃3個(gè)溫度下進(jìn)行了標(biāo)定，并且是在傳感器輸出和輻射測(cè)溫儀示值都基本穩(wěn)定后進(jìn)行，完成標(biāo)定后兩條曲線立刻接近重合。

3.2 測(cè)試結(jié)果

由于在實(shí)際使用中，探頭后端是埋入在復(fù)合材料殼體中，只依靠前端的感溫帽感受外表面的環(huán)境溫度，為模擬真實(shí)的測(cè)溫方式，在試驗(yàn)過(guò)程中只使用氧乙炔火焰加熱感溫帽部分，并通過(guò)循環(huán)水冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)探頭的安裝部分進(jìn)行隔熱降溫。對(duì)完成標(biāo)定的傳感器進(jìn)行高溫測(cè)試的結(jié)果曲線如圖6所示。

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，穩(wěn)態(tài)下的測(cè)量數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的最大誤差如表1所示。

圖5 高溫傳感器的標(biāo)定曲線Fig.5 Calibration curve of the ultrahigh temperature sensor

圖6 高溫傳感器的試驗(yàn)曲線Fig.6 Testing curve of the ultrahigh temperature sensor

表1 傳感器穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果（℃）Tab.1 Steady-state testing result of the sensor（℃）

從表中可以看出，傳感器的穩(wěn)態(tài)測(cè)量誤差在1 900℃以上時(shí)相對(duì)較大，最大值超過(guò)了20℃，這主要是傳感器探頭的表面氧化造成的。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)改變氧乙炔火焰的燒蝕深度來(lái)調(diào)節(jié)傳感器探頭所處的溫度場(chǎng)，因此要為傳感器提供非常高的溫度，就必須使探頭處于氧乙炔火焰的內(nèi)焰位置，此時(shí)探頭材料會(huì)在高溫條件下被火焰中未反應(yīng)的氧氣氧化，如此惡劣的環(huán)境也使得較難被氧化的陶瓷材料的表面都形成了一層白色的氧化物膜層[5]，并對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生了一定程度的影響。

4 結(jié) 論

文中通過(guò)對(duì)高溫藍(lán)寶石光纖溫度傳感器的測(cè)量結(jié)構(gòu)和標(biāo)定原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一套基于氧乙炔高溫綜合測(cè)試平臺(tái)和上位機(jī)測(cè)試應(yīng)用軟件的標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高溫傳感器在多溫度下的標(biāo)定以及模擬真實(shí)測(cè)溫方式的測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠提供長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的高溫?zé)嵩?，可方便地調(diào)節(jié)溫度；試驗(yàn)過(guò)程中傳感器安裝固定部分始終處于冷卻狀態(tài)，可隨時(shí)進(jìn)行拆裝并開(kāi)始新試驗(yàn)；標(biāo)定和測(cè)試中雙比色輻射測(cè)溫儀能夠削弱光線傳輸路徑上損耗的影響，提供的溫度基準(zhǔn)準(zhǔn)確可靠。盡管氧乙炔火焰使得感溫帽更易發(fā)生氧化，但該系統(tǒng)能夠滿足傳感器的多點(diǎn)標(biāo)定和測(cè)試試驗(yàn)需要，具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。

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