CN1084965A

CN1084965A - 光纤传感瞬态高温测量仪

Info

Publication number: CN1084965A
Application number: CN 93117453
Authority: CN
Inventors: 陈尧生
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 1993-09-09
Filing date: 1993-09-09
Publication date: 1994-04-06
Anticipated expiration: 2013-09-09
Also published as: CN1043377C

Abstract

一种光纤传感瞬态高温测量仪，它是由高压窗与光学系统、双波长光纤温度传感器、信号处理系统组成。该装置应用于冲击高压状态下(≤400MPa)，测量动态温度，并显示最高温度(≤4000K)，借助绘图仪，可绘制爆发始末的整个过程曲线，为科学工作者在冲击载荷下，探索物态方程提供了重要工具，为火炸药特性研究，火箭尾流喷射流场温度研究、发动机燃烧室温度研究等多种场合创造了有利条件。

Description

本发明属于在冲击高压状态下（≤400MPa）利用光纤传感方式测量动态温度的装置。该装置以普朗克（Planck）定律为基础，采用双波长窄带比较法，对应输出R＝（λ₂/λ₁）⁵exp[C₂/T1/λ₂-1/λ₁）]只与温度T有关，C₂、λ₁、λ1₂均为常量。

采用光纤传感测量冲击温度的装置，已知有六通道瞬态光学高温计（《高压物理学报》、Vol2，No3，277～284，1988），这种装置用综合测量法确定灰体光源的温度和发射率。它需要多种仪器的组合，形成庞大的实验装置，这种装置不能显示最高温度，也不能承受400MPa的高压，该装置采用了六根多模光纤作为六个通道，把六根光纤捆在一起，作为六路分光装置，实践表明误差超过20%，从理论上讲，由于排列方式、端面平行度、连接耦合的重复性等，导致稍改变一下探头位置，重复精度差。即六路光输入，然后六路光输出，绝对替代不了一路光输入，六路光输出的分光装置。

本发明的目的在于提出一种新的光纤传感瞬态高温测量仪，使之具有能耐400MPa高压、能直接显示最高温度、体积小巧、装卸方便、结构合理、互换性强、精度高、重复性好等优点。

本发明的特征在于：它是由高压窗与光学系统、双波长光纤温度传感器、信号处理系统三部分组成。光学系统包括有校零光源、物镜、分光棱镜、分划板和目镜;双波长光纤温度传感器由1/4 P自聚焦透镜，其数值孔径为0.17～0.37，直径为0.8～2.5mm，石英芯子与硅酮被覆层组合的传感器光纤、Y型分束器、滤光片、探测器保温室、模拟放大与除法器组合而成;信号处理系统由单片机、内外触发同步与校正电路、0-10Vdc接口电路、4 1/2 位数显电路、电源、微机通讯接口组成。

本发明首先要解决耐高压问题，由于密闭爆发器有一φ5mm的测压孔，若将传感头直接布置在该孔内，引爆后极易损坏，因此，需堵塞此孔，又要使堵塞材料能透过λ₁和λ₂波，本发明采用的是二次气炼石英玻璃。由于多次冲击石英玻璃，其表面受轰击而碎裂，这是一个易损元件，需要经常更换。为了使其能耐400MPa高压，设计时将其作成一园锥体，锥角2α＝18°～24°，这个角度既要考虑到物镜所要求的视场，又要考虑到压强尽可能小，园柱侧面积尽可能大，使压力分布在侧面上，为此，园锥大头尺寸为φ6mm。由于高压窗在多次冲击下，侧面产生的应力会越来越大，必然会引起应力双折射带来的透过率误差，为了避免这一点，本发明将石英玻璃锥体分成两段，靠进大头这一段厚度约3mm，作一次性更换使用，后一段长度约12mm，作永久性密封使用，这样不仅降低了成本，而且3～5mm厚度的石英晶体随冲击压力的不同将会引起光速穿透速度的变化，从而达到测温和测压的目的。从密闭爆发器幅射的两列波λ₁和λ₂经高压窗到自聚焦透镜端面，由光纤导引后分为两路，进入干涉滤光片后分别进行光电转换，电信号进入比值电路，由单片机修正送入存储器，瞬态过程完成后立即显示相应的温度量。在实际使用时，拧上头部，可从目视系统观察高压窗端面，调节物镜，使端面在分划板中成像清晰，用光缆连接头部与信号处理部分，安装即完毕。本发明采用标准光源校零，一方面是因为光缆布置的路程不同，消除由此而引起的附加损耗;另一方面，连续使用时，高压窗前端面被污染，消除由此而引起的透过率降低误差。本装置可与瞬态记录仪、微机、绘图仪、频率信号发生器等多种仪器联合使用，并可内触发同步、外触发同步。本发明的元器件选择建立在λ₁、λ₂的波长确定，然后再从热源范围1500-4000K、光纤窗口有无吸收峰、探测器的峰值波长0.9μm来考虑，为此，确定λ₁为0.82～0.93之间;λ₂为0.5～0.53之间。本发明采用的标定方法为：1000-3000K用黑体炉定标，3000-4000K由标定曲线延伸，最小二乘法拟合。

本发明采用双波长窄带比较法，使一些干扰因素如透过率、表面污染等影响相互抵消，达到不影响输出功率改变的目的。这种窄带比较法使仪器灵敏度、分辨率进一步提高，是动态检测较为实用的方法。本发明采用全光纤光学式，即传感器头部没有与输入信号有关的电子元器件，提高了抗电磁干扰能力，可在高频电场、磁场下在线检测。本装置采用自聚焦透镜与光纤连接，提高了信号输出的稳定性。因为辐射光波聚焦在1/4P的透镜前端面，构成一个望远系统，增大了距离系数。本发明还采用了混合缆，即光缆与电缆同在一条缆线内。且光纤芯径达400μm，硅酮被覆层作包层，使光信号高次模迅速衰减，如加一个分布式光栏，使装置稳定性提高，重复性好。本发明还采用复合干涉滤光片和同一基底双光敏面探测器，使温飘现象得到控制。

图一为本发明所设计的光纤传感瞬态高温测量仪结构框图。

在图一中，1为密闭爆轰装置，该装置由特种钢材制成，一端带有点火装置，另一端为光能发射孔，两端均采用紫铜垫圈密封，要求压力达到400MPa以上不漏气;2为高压窗;3为校零用标准光源;4为物镜，其焦距f＝50mm，调节物镜可观察到高压窗小头端面成像在分划板上;5为分光棱镜;6为分划板;7为目镜;;8为自聚焦透镜，来自密闭爆轰装置的两列波λ₁、λ₂经过高压窗会聚在自聚焦透镜上，该透镜与物镜构成一望远系统;9为混合光缆，将金属导线与光纤胶合成一条缆，长度可根据安装位置而定，其中光缆传输光信号，金属导线是一种多股软线，它与标准光源连接，其作用是校零;10为Y型分束器;11为滤光片;12为探测器保温室，将10、11、12做在一个盒子内，用双光敏面PIN高速响应探测器代替Y型分束器，把λ₁、λ₂作成复合滤光片，各占50%的面额，半带宽120 ～200

，处于恒温室中，温室发热元件为2W的电阻4个，温度敏感元件为AD590，使用前预热使温室高于环境温度达到50℃时，AD590送出一个信号，自动切断加热电阻，这样稳定了接收信号;13为模拟放大与除法器;14为单片机系统，本发明采用51系列，并与高速A/D相配合，一般模/数转换采用10位以上;15为内外触发同步与校正电路;16为0-10Vdc接口电路;17为4 1/2 位数显电路;18为电源;19为微机通讯接口。

Claims

1、一种光纤传感瞬态高温测量仪，其特征在于：是由高压窗与光学系统、双波长光纤温度传感器、信号处理系统三部分组成，光学系统包括有校零用标准光源、物镜、分光棱镜、分划板和目镜；双波长光纤温度传感器是由1/4P自聚焦透镜，其数值孔径为0.17～0.37、直径为0.8～2.5毫米，石英芯子与硅酮被覆层组合的传感器光纤、Y型分束器、滤光片、探测器保温室、模拟放大与除法器组合而成；信号处理系统由单片机、内外触发同步与校正电路、0-10Vdc接口电路、4 1/2 位数显电路、电源、微机通讯接口组成。

2、根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于所说的高压窗是采用二次气炼石英玻璃材料制作而成，将高压窗作成一园锥体，锥角2α＝18°～24°，园锥大头尺寸为φ6mm。

3、根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于将Y型分束器、滤光片、探测器保温室做成一体，用双光敏面PIN高速响应探测器代替Y型分束器，把双波长λ₁和λ₂作成复合滤光片，各占50%的面额，半带宽120 ～200 ，从而达到动态测温的目的。

4、根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于，它是由普通光学、微小光学、一根光纤波导等组合的全光纤光学式，即头部没有与信号有关的电子元器件，达到抗干扰能力强，动态范围宽的目的。