CN103162840A - 金属管状黑体空腔高温温度传感器 - Google Patents

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本发明涉及金属管状黑体空腔高温温度传感器，属于高温测量用的温度传感器技术领域。包括黑体空腔、屏蔽罩、耦合器、传输光纤、分光探测系统与数据处理系统；黑体空腔的外表面头部设计成肋片式结构，黑体空腔设计成盲孔形式。本发明以耐高温金属材料制成的黑体空腔作为高温传感器的受感部，用石英光纤传递信号，并用双硅探测器进行分光与光电转换，结构紧凑，性能可靠。另外，在黑体空腔外面设计有屏蔽罩，结合黑体空腔的异型结构，并通过理论分析与数值计算，它具有耐温高、抗氧化、准确度高等优点，能够解决此前无法解决的高温测量问题。

Description

金属管状黑体空腔高温温度传感器
技术领域
本发明涉及金属管状黑体空腔高温温度传感器，具体涉及一种适用于2300K以下长时间温度测量的基于金属管状黑体空腔的高温温度传感器，属于高温测量用的温度传感器技术领域。
背景技术
目前，国内测量高温气流温度所用的传感器，一般采用铂铑系列的热电偶，所能测量的最高温度为2000K。
美国专利说明书US5364186公开了一种基于黑体空腔的高温传感器，该传感器在光纤表面通过火焰喷涂或溅射的方式镀制一层金属氧化物陶瓷，形成黑体腔，并作为感温元件，通过光纤导光，经探测器、信号处理系统等，最终得到温度信号。该传感器的测温上限为2000K，具有抗电磁干扰，响应快的优点，但黑体腔镀层在使用中容易脱落，在一定程度上影响了其使用效果。
目前在航空、航天、核工业等领域，所涉及的测量温度越来越高，有些发动机的气流温度已达2300K。由于温度太高，缺乏准确有效的测温手段。
发明内容
本发明的目的是为了提出金属管状黑体空腔高温温度传感器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的金属管状黑体空腔高温温度传感器，包括黑体空腔1、屏蔽罩2、耦合器3、传输光纤4、分光探测系统5与数据处理系统6；黑体空腔1和耦合器3之间、屏蔽罩2和耦合器3之间均采用螺纹连接，螺纹连接的外表面均涂覆高温密封胶，以保证螺纹连接处不发生周向转动，同时避免漏光；
黑体空腔1与屏蔽罩2均采用金属铱材料，金属铱在成型之前需经过锻造或热轧压力加工，以提高其综合机械性能，压力加工后的组织纤维方向与所受正应力方向平行，或与所受切应力方向垂直；
黑体空腔1的外表面头部设计成肋片式结构，肋片的数量不少于3，以增强被测气流与黑体空腔1之间的对流换热，减小高温传感器的辐射误差和导热误差，同时增加对气流的阻力，降低气流掠过黑体空腔1的速度，减小速度误差。黑体空腔1设计成盲孔形式，插入被测截面部分孔的长度与直径之比不小于10，以保证黑体空腔具有高的有效发射率。
屏蔽罩2的外壁面上设计有进气孔和出气孔，进气孔和出气孔的面积之比为1～6。对于来流马赫数低于0.3的情况，屏蔽罩2进气孔、出气孔的面积比取1；对于来流马赫数在0.3～0.6范围内的情况，屏蔽罩2进气孔、出气孔的面积比取2～4；对于来流马赫数高于0.6的情况，屏蔽罩2进气孔、出气孔的面积比取5～6。屏蔽罩2的迎风面积应小于被测流道截面积的1/10，以减小屏蔽罩2对流道的阻塞。
对于耦合器3，如果黑体空腔1的内径大于传输光纤4的直径，在耦合器3内嵌入透镜，以使得光信号大部分进入传输光纤4，减小能量损耗；如果黑体空腔1的内径小于或等于传输光纤4的直径，黑体空腔1和传输光纤4在耦合器3内直接对接，但需保证黑体空腔1与传输光纤4同轴。
传输光纤4采用多模石英光纤束，石英光纤束的芯径为0.5mm～2mm，以尽量避免在耦合器3内使用透镜，石英光纤束的头部应处于不超过500K的低温区，并位于透镜焦平面的中心位置。
分光探测系统5选用双硅探测器，集成了分光、探测两项功能，双硅探测器的波长为850nm～1050nm。
数据处理系统6基于单片机或DSP，对光电转换后的信号进行调理、放大与处理，最后将测得的温度显示在界面上。
(1)黑体腔为盲孔形式，插入被测截面部分孔的长度与直径之比不小于10，黑体腔外表面为肋片式的异型结构；
(2)屏蔽罩上设计有进气孔和出气孔，进气孔和出气孔的面积之比为1～6；
(3)信号传输光纤采用多模石英光纤束，石英光纤束与耦合器接头外表面涂覆密封胶；
(4)如黑体腔内径大于石英光纤束直径，在耦合器内嵌入透镜，如黑体腔内径小于或等于石英光纤束直径，黑体腔和石英光纤束在耦合器内直接对接，耦合器与黑体腔之间以及耦合器与屏蔽罩之间都通过螺纹连接，接头外表面涂覆高温密封胶；
(5)分光探测系统采用双硅探测器，波长为850nm～1050nm，双硅探测器与石英光纤束接头外表面涂覆密封胶。
所述黑体空腔以及屏蔽罩的材料为适用于2300K以下长期使用的金属铱，金属铱的熔点为2683K。黑体空腔与屏蔽罩在加工成型之前，需要进行锻造或轧制等压力加工，以便在高温下使用时具有良好的综合机械性能。
有益效果
本发明以耐高温金属材料制成的黑体空腔作为高温传感器的受感部，用石英光纤传递信号，并用双硅探测器进行分光与光电转换，结构紧凑，性能可靠。另外，在黑体空腔外面设计有屏蔽罩，结合黑体空腔的异型结构，并通过理论分析与数值计算，保证在测量高温气流温度时具有较小的综合测温误差，使之能应用于高温气流环境并保持足够的热强度。它具有耐温高、抗氧化、准确度高等优点，能够解决此前无法解决的高温测量问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中，1-黑体空腔，2-屏蔽罩，3-耦合器，4-传输光纤，5-分光探测系统，6-数据处理系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例
金属管状黑体空腔高温温度传感器，包括黑体空腔1、屏蔽罩2、耦合器3、传输光纤4、分光探测系统5与数据处理系统6；黑体空腔1和耦合器3之间、屏蔽罩2和耦合器3之间均采用螺纹连接，螺纹连接的外表面均涂覆高温密封胶，以保证螺纹连接处不发生周向转动，同时避免漏光；
黑体空腔1与屏蔽罩2均采用金属铱材料，金属铱在成型之前需经过锻造和热轧压力加工，以提高其综合机械性能，压力加工后的组织纤维方向与所受正应力方向平行；
黑体空腔1的外表面头部设计成肋片式结构，肋片的数量为3，以增强被测气流与黑体空腔1之间的对流换热，减小高温传感器的辐射误差和导热误差，同时增加对气流的阻力，降低气流掠过黑体空腔1的速度，减小速度误差。黑体空腔1设计成盲孔形式，插入被测截面部分孔的长度与直径之比为10，以保证黑体空腔具有高的有效发射率。
屏蔽罩2的外壁面上设计有进气孔和出气孔，进气孔和出气孔的面积之比为1～6。来流马赫数为0.5，屏蔽罩2进气孔、出气孔的面积比取3；屏蔽罩2的迎风面积为被测流道截面积的1/12，以减小屏蔽罩2对流道的阻塞。
对于耦合器3，黑体空腔1的内径等于传输光纤4的直径，黑体空腔1和传输光纤4在耦合器3内直接对接，需保证黑体空腔1与传输光纤4同轴。
传输光纤4采用多模石英光纤束，石英光纤束的芯径为1mm，以尽量避免在耦合器3内使用透镜，石英光纤束的头部应处于不超过500K的低温区，并位于透镜焦平面的中心位置。
分光探测系统5选用双硅探测器，集成了分光、探测两项功能，双硅探测器的波长为1000nm。
数据处理系统6基于单片机，对光电转换后的信号进行调理、放大与处理，最后将测得的温度显示在界面上。
测量时，黑体空腔1感受被测温度，收集能量，并将能量以光信号的形式向后传输，经过耦合器3后进入传输光纤4，分光探测系统5将光信号分成不同波长的两路即上层信号和底层信号，并转变成电信号，数据处理系统6将电信号调理、放大与处理，最后将测得的温度显示在界面上。

Claims (6)

1.金属管状黑体空腔高温温度传感器，其特征在于：包括黑体空腔(1)、屏蔽罩(2)、耦合器(3)、传输光纤(4)、分光探测系统(5)和数据处理系统(6)；
黑体空腔(1)和耦合器(3)之间、屏蔽罩(2)和耦合器(3)之间均采用螺纹连接，螺纹连接的外表面均涂覆高温密封胶，螺纹连接处不发生周向转动且不漏光；
黑体空腔(1)与屏蔽罩(2)均采用金属铱材料，金属铱在成型之前需经过锻造或热轧压力加工；
黑体空腔(1)的外表面头部设计成肋片式结构，肋片的数量不少于3；黑体空腔(1)为盲孔形式，插入被测截面部分孔的长度与直径之比不小于10；
屏蔽罩(2)的外壁面上设计有进气孔和出气孔，进气孔和出气孔的面积之比为1～6；屏蔽罩(2)的迎风面积小于被测流道截面积的1/10；
传输光纤(4)采用多模石英光纤束，石英光纤束的芯径为0.5mm～2mm，石英光纤束的头部处于不超过500K的低温区，并位于透镜焦平面的中心位置；
分光探测系统(5)选用双硅探测器，集成了分光、探测两项功能，双硅探测器的波长为850nm～1050nm；数据处理系统(6)基于单片机或DSP；
测量时，黑体空腔(1)感受被测温度，收集能量，并将能量以光信号的形式向后传输，经过耦合器(3)后进入传输光纤(4)，分光探测系统(5)将光信号分成不同波长的两路即上层信号和底层信号，并转变成电信号，数据处理系统(6)将电信号调理、放大与处理，最后将测得的温度显示在界面上。
2.根据权利要求1所述的金属管状黑体空腔高温温度传感器，其特征在于：黑体空腔(1)的内径大于传输光纤(4)的直径，在耦合器(3)内嵌入透镜。
3.根据权利要求1所述的金属管状黑体空腔高温温度传感器，其特征在于：黑体空腔(1)的内径小于或等于传输光纤(4)的直径，黑体空腔(1)和传输光纤(4)在耦合器(3)内直接对接。
4.根据权利要求1所述的金属管状黑体空腔高温温度传感器，其特征在于：来流马赫数低于0.3时，屏蔽罩(2)进气孔、出气孔的面积比取1。
5.根据权利要求1所述的金属管状黑体空腔高温温度传感器，其特征在于：来流马赫数为0.3～0.6时，屏蔽罩(2)进气孔、出气孔的面积比取2～4。
6.根据权利要求1所述的金属管状黑体空腔高温温度传感器，其特征在于：来流马赫数高于0.6时，屏蔽罩(2)进气孔、出气孔的面积比取5～6。
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