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1、蓝宝石单晶光纤高温传感器李志能陈良汉陈秀峰浙江大学〔摘要〕本文全面地介绍由蓝宝石单晶光纤制作的高温光纤传感器的工作原。,理及制作方法分析了装置的各部件对测温精度的影响结果表明该传感器的测,,,温精度高在温度℃时初步实验结果可达测温范围宽极限。温度高达℃、日三生一二,,在高温测量领域中人们一直在积极地进二行开发和研制工作蓝宝石单晶光纤高温传感,‘一“〕。、、,器的问世是一个重大的进展它具有高精度高灵敏度测温范围宽能远距离测,。,,控等优点正是已有各类高温计所欠缺的近年蓝宝石单晶光纤在浙江大学拉制成功为。制作精密的高温光纤传感器提供了基础,由于使用光纤作为传感信
2、号源和传输介质它同其它高温传感器相比具有许多独特的优。,,,、,、点首先由于光纤是一种绝缘介质不受电磁干扰耐高温高压能在有腐蚀性易燃,,和易爆等恶劣环境下工作第二具有很高的灵敏度能探测极弱的信号和微小的变化第,,,,三几何形状的灵活性光纤传感器可做成任意形状第四由于光纤本身可以作为传输,,。线而且传输损耗很低可以进行远距离的遥测和遥控等优点二、高温光纤传感器的实验装置。图示出研制的具有计算机实时处理功能的高温光纤传感器的实验装置,黑体腔是该传感器的信号源位于蓝宝。石光纤的顶端部据普朗克辐射定律和基尔霍夫定律可知,腔内出射单位波长的光能进’入光纤的光通量为月身
3、,。二中入不下一了一一二不‘而而万一一一丁不夕八。八一一与图高温光纤传感器式中是蓝宝石光纤横截面的面积“,。,,,一’”“是黑体腔的视在辐射率为第一辐射常数其值为为,一“。。第二辐射常数其值为入为真空中的波长为被测温度一一,但进入光纤的光只有在光纤的孔径角内才能沿光纤传输故沿光纤传输的光通量为。,“。中。入仁一包〕式中芯为纤芯的折射率包为光纤包层的折射率哆’通过对光通量的检测便可检测出温度犷,,对于被测温对象的不同黑体腔可采用不同的结构图示出三种比较实用的高温传感,,头结构方案图为图中的黑体放大结构其制作方法一般在单晶光纤的表面溅射,,一层不透明的氧化膜如先
4、镀上一层铂膜或铱膜在它们外面再覆以氧化铝层以减少金属。。,膜的氧化速率该传感头用于高温气流的测温图的结构主要用于高温液体的侧温高温奋蓝宝石妙去今马胆始石完纤亥图三种高温传感头方案图黑体腔放大结构图,。只要其高温套密封性能和耐温性能理想则可制成理想的黑体图结构主要用于高,,温固体的侧温使用时是插入固体表面的小孔来侧温故其黑体辐射腔主要是由被测固体表。面形成的,,单晶蓝宝石光纤同一般的石英光纤相比具有较高的熔点和高温稳定性蓝宝石光纤的,,,熔点为℃而一般的石英光纤为℃故使用蓝宝石光纤作为传感头材料可以保证。在温度一℃内正确测温,。多模光纤接头连接着蓝宝石单晶光纤
5、和普通的多模光纤。分光器的主要作用是便于进行双波段信号检测用,双波段进行光信号检测测温时可利用两光路进行互相,,校正传感器性能易于制成一致并能提高抗干扰能。,力可采用如图所示的透镜实现分光也可用光纤祸。合器进行分光由于后者分光器的分光比日是波长的函,,数为了提高测温精度应用日入对测温结果进行。校正图采用光学透镜分光,林贝,使用干涉滤光器一般中心波长在两光路,以提高检所用滤光器的中心波长和带宽应有区别测精度。和分辨率,一。从实际用途出发光电探测器使用管对于沙,,叮奋管而言限制最小探测光能量的因素是器件的信噪比常用’一’,的管最小探测能量的数量级约为减小器件噪声
6、,的措施是尽可能减小反偏电压和置于较低的温度环境中图一。示出本文研制的零偏压光电转换电路图零偏压光一电转换电路、三几个主要部件对测温精度的影响。单晶黑体腔对浦温的影晌,,在图中指使用时插入液体有一定深度小孔有一定深度的黑体腔接近,。,二。,,于标准黑体腔即入对于的情况以铱腔为例如表所示其中为黑。,。,￡,体腔的长度为直径对于入从卜变化到卜变化小于士,士℃,由图和可知这相当于温度变化约为时一般对于工业的应用。,,是足够了若要求更高的精度只要提高值故对于保证精度℃时。是能方便实现表铱腔的视在辐射率件。。件件⋯⋯。口,月口‘八八一︼︶︸自八口八口一八一﹃︵︸口路任
7、往刀月︸叮口一才︸自沙八忱月八甘。︺︸八一︸自土,﹃︸,习八一工月目八曰︸口性刀止︸丹口月土了,八比甘﹄。一︸氏︺山人八曰︸。八曰甘︸衬匕匀⋯⋯月八日“八拭洲口八任︸左通土,只还⋯。。。⋯⋯。⋯⋯⋯。。。。。。蓝宝石光纤对浏温的影晌,。,蓝宝石光纤的光吸收系数是波长的函数若检测温度在拼波段内则值在一’,一’。二,左右其变化量△为当单晶光纤长度则由于光吸收而产土,△为生的能量衰减不确定值△为相应于温度不确定值士℃林,八一‘,,,时若检测温度在波段内即使则△二,。从而△℃故可认为蓝宝石光纤的光吸收系数入为常数另,,一方面蓝宝石光纤的折射率是波长的函数它对测温的影
8、响主要包括两方面孔。二一,,,径角包芯在波段一件内△
