CN103674322A - 一种采用分离式探头的蓝宝石光纤温度传感器 - Google Patents

一种采用分离式探头的蓝宝石光纤温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种采用分离式探头的蓝宝石光纤温度传感器，按以下步骤制造：根据被测温介质的具体情况设计制作传感器的探头感温黑体腔、隔热保护套管及相关安装附件；组装探头；设计制作变换器，变换器包含滤光片、光电转换电路、前置放大电路、两级放大电路、模拟信号调理电路、电压输出电路、电源稳压电路、电压转换电路；最后采用石英传输光纤束将探头与变换器连接。本发明黑体腔与蓝宝石光纤分离，蓝宝石光纤与感温黑体腔并无直接接触，测温时蓝宝石光纤相对远离高温温度环境，因而在感温黑体腔所处环境温度高达2600℃时，蓝宝石光纤由于温度低于其劣化温度而仍能正常传输黑体辐射信号，从而使传感器的测温上限达到了2600℃。

Description

一种采用分离式探头的蓝宝石光纤温度传感器
技术领域
本发明属于温度测量技术领域，具体涉及一种改进型的蓝宝石光纤温度传感器。
背景技术
蓝宝石光纤温度传感器是一种根据普朗克定律，采集高温黑体腔热辐射进行测量的接触式温度传感器。蓝宝石光纤温度传感器利用蓝宝石光纤熔点高、高温条件下的光传输特性好的特点，在蓝宝石光纤外构造感温黑体腔，采用耐高温的蓝宝石光纤将布置在高温环境下、与被测介质达到温度平衡的黑体的辐射信号传输至低温环境下，通过对该辐射信号强度的测量即可根据辐射能量的强度与黑体腔温度的对应关系换算出黑体腔的温度，从而得到被测介质的温度。
由于蓝宝石光纤处于1700℃以上的温度环境中会因为高温导致表面发生劣化，从而影响温度测量精度和长期稳定性。即使通过相关防劣化处理后，蓝宝石光纤耐受的温度上限也只能提高至1800，℃导致传统蓝宝石温度传感器的测温上限被限制在1800。℃
在该传感器的一体式传统结构制备工艺中，通过在蓝宝石光纤端部外表面镀覆黑体材料的方法形成黑体腔，传感器工作时蓝宝石光纤温度与被测温度相差不大，因而传感器量程受蓝宝石光纤的耐温上限限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用分离式探头的蓝宝石光纤温度传感器，黑体腔与蓝宝石光纤分离，测温上限高达2600℃，能够对高温温度进行接触式测量。
本发明采用的技术方案是：一种采用分离式探头的蓝宝石光纤温度传感器，其特征是按以下步骤制造：
第1步：根据被测温介质的具体情况设计制作传感器的探头感温黑体腔；
第2步：制造蓝宝石光纤温度传感器探头，内含耦合器；
第3步：设计制作变换器，变换器包含滤光片、光电转换电路、前置放大电路、两级放大电路、模拟信号调理电路、电压输出电路、电源稳压电路、电压转换电路等功能单元。
第4步：采用石英传输光纤束将探头与变换器连接。
本发明的优点：
本发明的蓝宝石光纤温度传感器采用黑体腔与蓝宝石光纤相互独立的分离式探头，蓝宝石光纤与感温黑体腔并无直接接触，测温时蓝宝石光纤相对远离高温温度环境，因而在感温黑体腔所处环境温度高达2600℃时，蓝宝石光纤由于温度低于其劣化温度而仍能正常传输黑体辐射信号，从而使传感器的测温上限达到了2600℃。传感器将黑体辐射信号转换为电信号，并进行放大和调理，输出的电压信号能够反映黑体辐射信号的强度，后续的信号处理系统就能根据黑体辐射信号强度与温度的对应关系换算出被测的温度值。
附图说明
图1是箱式感温黑体腔结构示意图。
图2是挡光片结构示意图。
图3是探头组装示意图。
图4是传感器结构图。
图5是光电转换以及前置放大电路原理图。
图6是两级放大电路原理图。
图7是小放大倍数模拟信号调理与电压输出电路原理图。
图8是大放大倍数模拟信号调理与电压输出电路原理图。
图9是电源输入保护电路原理图。
图10是电源稳压电路原理图。
图11是电压转换电路原理图。
具体实施方式
按照以下步骤制造箱式感温黑体腔
第1步：采用改性硼化锆陶瓷材料制备大小两种直径的圆柱型毛坯；
第2步：采用电火花加工工艺在较大圆柱型毛坯上加工箱式感温黑体腔1，感温黑体腔底部为半球形，上端为圆柱型；在黑体腔口加工内螺纹；
第3步：切割小圆柱型毛坯制取圆形挡光片2，采用电火花加工工艺在挡光片中心加工直径1mm的辐射调整孔3；
第4步：将挡光片2装入感温黑体腔1。
按照以下步骤制造蓝宝石光纤温度传感器探头
第1步：制备陶瓷保护套管4，其端部加工与感温黑体腔1匹配的外螺纹，中心加工圆柱型通孔；
第2步：将端面研磨好的蓝宝石光纤5安装在陶瓷保护套管4的通孔中，调整安装位置使蓝宝石光纤端面对准挡光片辐射调整孔3；
第3步：采用螺纹配合将感温黑体腔1安装在陶瓷保护套管4端部。
按以下步骤制造蓝宝石光纤温度传感器：
第1步：根据被测温介质的具体情况设计制作传感器的探头感温黑体腔1；
第2步：制造蓝宝石光纤温度传感器探头6（内含耦合器7）；
第3步：设计制作变换器，变换器包含滤光片9、光电转换电路（主要由光电探测器10组成）、前置放大电路、两级放大电路、模拟信号调理电路、电压输出电路、电源稳压电路、电压转换电路等功能单元。
第4步：采用石英传输光纤束8将探头6与变换器连接。
按以下步骤测量高温复合材料表面温度
第1步：在高温复合材料样品上选择准备测温的部位，按照传感器探头黑体腔的外直径钻一个安装孔，设法固定传感器探头黑体腔使之与高温复合材料表面平齐。
第2步：将高温复合材料样品连同安装好的传感器探头固定在传感器标定装置上，对传感器进行标定。
第3步：使用标定得到的参数，对高温复合材料表面温度进行测量。测温时，固定传感器探头6，使探头紧贴复合材料表面。由于传感器探头黑体腔1与复合材料表面充分接触且探头黑体腔具有较好的导热性能，黑体腔1与复合材料迅速达到热平衡，黑体腔的温度就是复合材料表面的温度；黑体腔1发出的黑体辐射信号通过耐高温的蓝宝石光纤5传输至较低温度区域，通过耦合器7耦合进入石英传输光纤束8，经过滤光片9过滤光后，由光电探测器10转换为电流信号，电流信号经过图5所示前置放大电路之后转换为电压信号，由图6所示的两级放大电路分别进行不同倍数的电压放大（信号微弱时采用较大放大倍数的信号提高测量精度和分辨率，信号较强时采用较小放大倍数的信号以避免信号过早饱和）后，由图7和图8所示模拟信号调理和电压输出电路进行调理及电压输出。图9和图10所示电路用于对电源进行滤波等处理以保护内部电路和稳定电压。图11所示的电压转换电路提供电压输出电路所需的参考电压。由于传感器输出电压表征的黑体辐射信号强度与黑体腔温度有对应关系，后续信号处理系统在采集传感器输出电压后根据这个对应关系即可换算出被测高温复合材料表面的温度。
需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。
凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种采用分离式探头的蓝宝石光纤温度传感器，其特征是按以下步骤制造：
第1步：根据被测温介质的具体情况设计制作传感器的感温黑体腔(1)；
第2步：制造蓝宝石光纤温度传感器探头(6)，内含耦合器(7)；
第3步：设计制作变换器，变换器包含滤光片(9)、光电转换电路、前置放大电路、两级放大电路、模拟信号调理电路、电压输出电路、电源稳压电路、电压转换电路；
第4步：采用石英传输光纤束(8)将探头(6)与变换器连接。
2.如权利要求1所述的一种采用分离式探头的蓝宝石光纤温度传感器，其特征是按照以下步骤制造感温黑体腔：
第1步：采用改性硼化锆陶瓷材料制备大小两种直径的圆柱型毛坯；
第2步：采用电火花加工工艺在较大圆柱型毛坯上加工箱式感温黑体腔(1)，感温黑体腔底部为半球形，上端为圆柱型，在黑体腔口加工内螺纹；
第3步：切割小圆柱型毛坯制取圆形挡光片(2)，采用电火花加工工艺在挡光片中心加工直径1mm的辐射调整孔(3)；
第4步：将挡光片(2)装入感温黑体腔(1)。
3.如权利要求1所述的一种采用分离式探头的蓝宝石光纤温度传感器，其特征是按照以下步骤制造蓝宝石光纤温度传感器探头：
第1步：制备陶瓷保护套管(4)，其端部加工与感温黑体腔(1)匹配的外螺纹，中心加工圆柱型通孔；
第2步：将端面研磨好的蓝宝石光纤(5)安装在陶瓷保护套管(4)的通孔中，调整安装位置使蓝宝石光纤端面对准挡光片辐射调整孔(3)；
第3步：采用螺纹配合将感温黑体腔(1)安装在陶瓷保护套管(4)端部。
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