高溫光纖傳感器應用分析

趙亞麗

（承德石油高等專科學校，河北　承德　067000）

高溫光纖傳感器應用分析

趙亞麗

（承德石油高等專科學校，河北承德067000）

高溫光纖傳感器在現(xiàn)代各個領域中應用廣泛，解決了傳統(tǒng)光纖傳感器在高溫下無法穩(wěn)定工作的問題。文章對高溫光纖傳感器的工作原理進行了簡述，介紹了其完成熱結構溫度和應變測試的運行機理，分別介紹了以高溫光纖傳感器檢測飛機進氣口溫度和排除過山車安全隱患的應用實例，說明了其性能上的優(yōu)勢。

高溫光纖傳感器；進氣口溫度；航空航天

在航空航天、石油石化行業(yè)等惡劣環(huán)境的條件下，傳統(tǒng)的電傳感器易受電磁干擾和周圍環(huán)境影響，已經(jīng)無法滿足測量需求。隨著技術的發(fā)展光纖傳感器以其小巧，高精度及抗電磁干擾等優(yōu)點，成為高新技術產(chǎn)業(yè)的寵兒。而光纖傳感器很多時候需要在高溫條件下工作，高溫光纖傳感器在這種條件下應運而生，但其作為新興產(chǎn)品人們對其了解甚少，所以對高溫光纖傳感器在實際應用中的測試研究意義重大。

1　高溫光纖傳感器概述

普通的光纖傳感器，在250℃時會發(fā)生光波反射的衰減，使用條件大大受限，而在實際應用中很多時候都需要進行高溫條件下的物理量測定，所以人們開始了高溫光纖傳感器的研究。目前國內(nèi)外提出的光纖高溫傳感器主要包括耐高溫材料光纖高溫傳感器、分布式光纖高溫傳感器、高溫布拉格光纖光柵傳感器、高溫F-P腔傳感器等不同形式的高溫光纖傳感器。如2003年英國的研究學者用980nm激光泵浦摻Er 的Sn-Ge-Si光纖，利用溫度與熒光峰值功率比率的關系和光纖光柵的雙重性功能，研制出了一種可以用來同時測量應變和大范圍變化的高溫光纖傳感器。國內(nèi)的廖楚柯等人根據(jù)黑體輻射原理，采用黑體腔、光纖傳感探頭研制成的輻射型光纖高溫傳感器，具有抗氧化、抗電磁干擾、耐腐蝕、可遠距離傳輸、價格低廉等優(yōu)點。現(xiàn)在常用的測溫高溫光纖傳感器主要是這種黑體輻射式傳感器，應變測試傳感器則多用高溫法珀應變傳感器和光纖Bragg光柵高溫傳感器。其中黑體輻射式傳感器的原理是黑體輻射定律，物質受熱時會發(fā)出一定的熱輻射，輻射量的大小與該物質的溫度和材料的輻射系數(shù)有關。當溫度為230℃時，理想黑體開始出現(xiàn)暗紅色輻射，亮度隨著溫度的增加而增強。由于物體的熱輻射隨溫度的升高呈近指數(shù)型增長，輻射型光纖溫度傳感器在高溫下具有很高的靈敏度。

2　高溫光纖傳感器溫度和應變測試的理論基礎

2.1高溫光纖對溫度的檢測機理

用于高溫測量的黑體輻射式光纖傳感器主要由高溫藍寶石光纖、傳送待測黑體輻射功率的低溫光纖以及數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)組成。其中黑體腔安裝在高溫光纖頂端，是整個傳感器的信號源。當黑體腔與待測高溫區(qū)熱平衡時，黑體腔就按照普朗克黑體輻射定律發(fā)射與待測溫度T相對應的電磁輻射，進入光纖的光通量為：

式中a為藍寶石高溫光纖截面積，λ為輻射光波長，T是絕對溫度,為第一輻射常數(shù)，為第二輻射常數(shù)。當波長λ一定時，Φ（λ，T）隨著溫度T單調(diào)遞增，通過檢測光通量便可檢測出溫度T了。

2.2高溫光纖在應變測試中的應變傳感機理

3　高溫光纖傳感器在熱結構溫度測試中的應用

3.1高溫光纖傳感器在熱結構測試中的應用實例概況

飛機發(fā)動機的工作溫度最高可達1000℃以上，傳統(tǒng)的測溫方式是使用熱電偶測溫，需要的器件復雜而且動態(tài)誤差較大，所以現(xiàn)在準備用高溫光纖傳感器測試飛機發(fā)動機的溫度。傳感器類型是熱輻射光纖溫度傳感器，其利用光纖內(nèi)產(chǎn)生的熱輻射對溫度顯現(xiàn)傳感，以熱點的黑體輻射作為基礎，光纖本身就是一種待測溫度的黑體腔，可以確定光纖上任意點的溫度，無須任何光源。

3.2實際測溫流程和條件

用高溫光纖傳感器測飛機發(fā)動機進氣口溫度的典型應用如圖1所示。

圖1　用高溫光纖傳感器測飛機發(fā)動機進氣口溫度的典型應用

光纖探頭對熱結構溫度進行感知然后經(jīng)光纖傳輸?shù)焦鈱W處理單元，掃描區(qū)收集光信號送中央處理器分析結果。實驗測得溫度與標準溫度如表1所示。

表1　標準溫度與實測溫度數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)可得，試驗系統(tǒng)測溫誤差均在±1℃以內(nèi)， 最大相對誤差為0.7%，測量精度滿足設備測溫要求實際測量。但是石英光纖存在2μm以上光輝衰減的特點。所以，這種高溫光纖傳感器最低只能達500℃，不適于一般低溫熱結構測溫，高于1000℃時，要為傳感器加一個冷卻附件。

應用總結：高溫光纖測飛機發(fā)動機進氣口溫度可實現(xiàn)遠距離測量、實時數(shù)據(jù)精確且安裝便利，但該應用中，這種熱輻射光纖溫度傳感器不能測出500℃以下的熱結構溫度。

3.3高溫光纖傳感器應變測試中的應用

3.1.1高溫光纖傳感器在應變測試中的應用實例概況

通過高溫光纖傳感器對以木質過山車進行應變檢測以驗證其安全性，過山車運行期間不能停止，傳感器上的載荷為動載荷。過山車的主要支撐結構為混凝土現(xiàn)澆結構，以地梁和木質柱頭承重，先發(fā)現(xiàn)地梁存在裂縫，為安全隱患，運用高溫光纖傳感器對其進行應力測定，確定過山車是否需要改造。

設備安裝時傳感器兩端的基座膠接在待測構件上，將高溫光纖芯體傳入傳感器內(nèi)，繃緊在上下基座之間，擰緊螺母，待傳感器解調(diào)器讀數(shù)達到預張讀數(shù)之后，進行測量。

3.1.2數(shù)據(jù)采集與分析

解調(diào)儀采用100Hz，10ms保存一個波長數(shù)據(jù)，圖2是過山車第一次經(jīng)過某一特定支座的應變測量結果。圖3是過山車第二次經(jīng)過這根特定支座時的測量結果。

圖2　過山車第一次經(jīng)過特定支座時的測量結果

圖3　過山車第二次經(jīng)過特定支座時的測量結果

由圖2和圖3可以看到，高溫光纖傳感器對過山車的動載荷測量效果很好，5分鐘之內(nèi)的測試結果非常吻合，說明傳感器工作正常。照此操作一直進行下去，對過山車支座進行一一檢測，便能通過高溫光纖傳感器的應變檢測，找出不符合技術規(guī)范的支座，使過山車的安全隱患問題得到排除。

應用總結：通過以上這個高溫光纖傳感器應變檢測的實例，可以看出高溫光纖傳感器安全極其簡單，可以大幅縮小應變檢測的準備時間，工程實用性高；高溫光纖傳感可以用于檢測器無法作靜態(tài)分析的應變產(chǎn)生過程，兩次數(shù)據(jù)基本吻合，證明高溫光纖傳感器有非常高的檢測精度，工作過程穩(wěn)定可靠。

4　結語

高溫光纖傳感器在我國還屬于新興產(chǎn)品，其研究還處于起步階段，是光纖技術、光通信技術、光電子技術綜合的產(chǎn)物，以其耐高溫、耐腐蝕、適用面廣、靈敏性高、測量精確，測量物理量多等一系列其他傳感器無可比擬的優(yōu)點，必將在能源勘探、軍事民用設施建設、生物醫(yī)學、航空航天等多領域得到更大的發(fā)展。對于高溫光纖傳感器結構溫度場合應變測量方面的研究和探索，將為國家整個高科水平帶來巨大的提升，因而需要廣大的相關工作者在這方面繼續(xù)努力。

［1］孟松鶴，杜翀，解維華.高溫光纖傳感器在熱結構溫度和應變測試中的應用（英文版）［J］.固體火箭技術，2013（5）：701-705.

［2］徐剛.基于光纖傳感的機械設備動態(tài)監(jiān)測關鍵技術研究與應用［D］.武漢：武漢理工大學，2013.

［3］周之.基于光纖光柵傳感器的高超聲速飛行器結構損傷診斷技術研究［D］.長沙：國防科學技術大學，2013.

Analysis on application of high temperature fiber sensor

Zhao Yali
（Chengde Petroleum College， Chengde 067000， China）

High temperature optical fiber sensor is widely used in various fields of modern， which solved the problem that traditional o ptical fiber sensor can not work stably in high temperature. In this paper， the working principle of high temperature optical fiber sensor is briefly described， temperature and operating mechanism of whose completing the thermal structure and strain testing are introduced. And a case that high temperature optical fiber sensor measured plane air inlet temperature and a case that it eliminated the hidden dangers of roller coaster are separately taken to show its performance advantages.

high temperature optical fiber sensor； air inlet temperature； aviation and aerospace

趙亞麗（1982— ），女，河北保定，碩士，講師；研究方向：光纖傳感技術及實訓教學改革。