具有無(wú)線(xiàn)通信功能的光纖黑體腔高溫傳感器設計

1 引言

溫度作為一種重要的熱工參數，在工業(yè)生產(chǎn)中很多場(chǎng)合要求實(shí)現實(shí)時(shí)自動(dòng)監測和控制溫度，而高溫的準確及快速測量在冶金、化工、能源、建材等工業(yè)領(lǐng)域中有著(zhù)十分重要的意義。目前主要有接觸式的熱電偶測溫和非接觸式的輻射測溫兩種方式。雖然接觸式測溫能夠比較準確的測出被測溫度場(chǎng)的真實(shí)溫度，但接觸式測溫在測量時(shí)必須與被測溫度場(chǎng)接觸，這樣破壞了被測溫度場(chǎng)，使測出的溫度與真實(shí)溫度有一定的誤差。非接觸式測溫克服了上述的誤差，但非接觸式測溫由于受到測溫距離、物體發(fā)射率等影響，其測出的溫度也不準確。與傳統的熱電偶溫度計和輻射式溫度計相比，光纖黑體腔高溫計能應用于任何場(chǎng)所，不受空間和環(huán)境限制，不僅延長(cháng)了使用壽命，提高了接觸法測溫的測量上限，而且避免了輻射式測溫的較大誤差，提高了測量精席。

2 傳感器工作原理

傳統的高溫測量一般采用光纖輻射式溫度測量系統，針對傳統輻射式溫度測量系統測溫精確度低，易腐蝕，壽命短等不足，采用黑體腔結合光纖輻射式測溫系統組成的接觸式高溫測試系統以普朗克黑體輻射理論為基礎，利用黑體腔接觸溫度源，應用光纖輻射溫度測量系統對黑體腔輻射進(jìn)行測量，以此實(shí)現溫度源的測量。

首先在藍寶石單晶光纖的一端鍍制一層陶瓷薄膜，然后再套上耐高溫的不銹鋼外殼，形成黑體腔探頭。將黑體腔探頭放入被測溫度場(chǎng)中，黑體腔外表面吸收來(lái)自被測物體發(fā)出的熱輻射信號，與此同時(shí)黑體腔內表面發(fā)出熱輻射信號，這種熱輻射信號通過(guò)光纖耦合器并經(jīng)光纖傳輸后通過(guò)干涉濾光片。再由固態(tài)光電倍增管SSPM(Solid-state Photomult iplier)接收，最后通過(guò)相關(guān)信號處理電路后輸出結果。傳感器的工作原理如圖1所示。

3 光纖黑體腔的構成

黑體腔探頭的設計是藍寶石光纖高溫傳感器研制的關(guān)鍵，為了得到最優(yōu)化黑體腔傳感器探頭，必須對影響黑體腔有效發(fā)射率的因素進(jìn)行分析。黑體空腔傳感器由于幾何結構特點(diǎn)以及腔外環(huán)境溫度等因素的影響，其積分發(fā)射率必然小于1，且具有較大的不確定性。因此建立黑體腔腔體的結構模型和有限元模型，并研究其幾何特性、溫度分布等因素對腔體發(fā)射率的影響，對于黑體空腔的優(yōu)化設計和提高測溫系統的準確度具有重要的意義。近年來(lái)，人們采用各種方法計算黑體腔發(fā)射率，主要有多次反射法、Monte—Carlo法和積分方程法。2008年劉仁學(xué)等建立了圓筒形黑體空腔有限元模型，運用ANSYS對黑體腔腔體發(fā)射率進(jìn)行了仿真，仿真結果與公式計算結果具有較好的一致性。本文采用積分方程理論，建立了黑體腔結構模型，對黑體腔的結構參數進(jìn)行研究，分析各個(gè)參數對黑體腔腔體發(fā)射率的影響。

3.1 黑體腔結構模型

以常用的圓筒型黑體腔為例，其結構模型如圖2所示。圖中，r為黑體腔筒底坐標軸、x為側面坐標軸，z為蓋面的坐標軸;L為圓筒筒長(cháng);Z為圓筒半徑;R0為圓筒開(kāi)口半徑;RD為接收器半徑;H為接收器到腔口的距離。

黑體腔腔體的有效發(fā)射率εa定義為：

根據以上圓筒型腔體模型，可以求解得到黑體腔內各個(gè)節點(diǎn)的有效發(fā)射率，然后根據以下公式得到黑體腔積分發(fā)射率：

通過(guò)計算黑體腔積分發(fā)射率，分析各個(gè)結構參數對黑體腔發(fā)射率的影響，提高黑體腔性能。

3.2 圓筒型腔體發(fā)射率分析

以常用的帶蓋圓筒形黑體腔為例，分析黑體腔腔體長(cháng)度、開(kāi)口半徑大小、腔體材料發(fā)射率、接收器到腔口的距離對黑體腔發(fā)射率的影響。

以腔體底面半徑R為標準，當R=1，長(cháng)徑比L/R=5，材料發(fā)射率ε分別取0.1、0.5、0.8，孔徑比R0/R分別取0.1～0.9，腔體發(fā)射率如圖3所示：

由圖3可知，腔體發(fā)射率受腔體開(kāi)口大小的影響，孔徑比R0/R值越小腔體發(fā)射率越大，但從應用上考慮，黑體腔的開(kāi)口應足夠大，可為接收器提供較大的視場(chǎng)。腔體的材料發(fā)射率ε對黑體腔的影響與腔體的其他因素相關(guān);當R0/R較大時(shí)，腔體的材料發(fā)射率對腔體發(fā)射率的影響較大，但當R0/R較小時(shí)，腔體的材料發(fā)射率對腔體發(fā)射率的影響就很小了。

當孔徑比R0/R=0.5時(shí)，材料發(fā)射率ε分別取0.1、0.5、0.8，長(cháng)徑比L/R分別取1～10，腔體發(fā)射率如圖4所示：

由圖4可以得出長(cháng)徑比L/R是影響黑體腔發(fā)射率的重要因素之一，L/R越大，腔體發(fā)射率越大，但是隨著(zhù)L/R增大到一定程度時(shí)，其腔體發(fā)射率的變化已不大，而且腔體長(cháng)度過(guò)長(cháng)會(huì )增加黑體腔制造成本。

當圓筒形黑體腔結構參數為：L=10，R=2，R0=1，ε=0.1，H分別取0～40時(shí)，黑體腔積分發(fā)射率的變化如圖5所示。

接收器到腔口的距離H對黑體腔的影響很大、εc隨著(zhù)H的增大先增大后減小，逐漸趨于穩定、這主要是由于腔壁的分布不均勻性導致?？紤]具體現實(shí)條件H取值范圍在10左右。

綜上可知，黑體腔腔體長(cháng)度、開(kāi)口半徑、材料本身發(fā)射率、接收器到腔口的距離對黑體腔發(fā)射率都有影響。當黑體腔長(cháng)徑比為3—5，孔徑比為0.5，接收器到腔口的距離為10左右，腔體材料本身發(fā)射率較高時(shí)，黑體腔腔體發(fā)射率較高。

4 光電轉換模塊

光電探測部分的設計也是藍寶石光纖高溫傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一，它直接影響著(zhù)整個(gè)傳感器的響應時(shí)間、靈敏度等因素。本文的光電轉換模塊由SENSEL公司的SPMMicro103 5x18型固態(tài)光電倍增管(如圖6所示)和與之配套的跨阻放大器組成，該模塊主要是對微光信號進(jìn)行探測及放大，能同時(shí)檢測交流和直流信號，有較好的信噪比。該SSPM外形較小，感光面積僅為1 mm2，共有400個(gè)工作于Geiger模式下的APD微元，其增益大于106，響應時(shí)闖小于100ns，具有較低的供電電壓，在可見(jiàn)光范圍內具有較高的光子探測效率，約為13.5%(如圖7所示)。根據維恩位移定律得知溫度升高時(shí)，輻射強度的最大值向短波方向移動(dòng)，所以此SSPM符合高溫測試的需求。

5 無(wú)線(xiàn)通信模塊

典型的光纖高溫測試系統由被測對象、測溫主機、發(fā)射傳輸裝置及接收裝置組成。本文采用測量主機與無(wú)線(xiàn)通信從機的雙機模式實(shí)現。圖8為測量主機原理框圖，測量主機完成溫度數據的采集處理，由光纖高溫測試系統和單片機MSP430F149組成。采用多路AD芯片(MSP430內部AD)實(shí)現模擬量到數字量的轉換，并且留有其它模擬量的測量通道，可擴展諸如濕度等其他模擬量的監控。為了補償環(huán)境溫度可連接環(huán)境溫度傳感器DS18B20。采用無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊PTR8000模塊實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)傳輸，訊通公司的PTR8000帶有內置環(huán)形天線(xiàn)，可直接與單片機連接，無(wú)須外接其他器件，實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)收發(fā)。

無(wú)線(xiàn)通信從機實(shí)現數據的接收。為了完成PTR8000與PC機的數據交換在無(wú)線(xiàn)通信從機中使用RS232接口。在監控PC機上，采用C++開(kāi)發(fā)上位機的人機接口界面。系統電路(見(jiàn)圖9)分為測溫及發(fā)射板(測量主機)、接收板(無(wú)線(xiàn)通信從機)該系統中主機的任務(wù)是完成數據采集與處理，包括進(jìn)行A/D轉換、環(huán)境溫度補償，對即將傳送來(lái)的數字信號進(jìn)行組織處理。發(fā)射端的PTR8000將單片機的信息調制成射頻信號發(fā)出，接收端的PTR8000模塊將接收到的信息，解調成為T(mén)TL電平，由單片機處理后經(jīng)由RS232接口送到PC，供計算機后期處理。

6 實(shí)驗及結論

為了驗證系統的性能，以氧炔焊機作為熱源對其進(jìn)行測試。傳感器測試裝置由氧炔焊機、藍寶石光纖傳感器、紅外輻射測溫儀、計算機組成。其中，氧炔焰最高溫度可達3000℃，紅外輻射測溫儀通過(guò)高溫黑體爐校準，測溫范圍為1000～3000℃。首先開(kāi)啟并調節氧炔焊機使其達到一定溫度，利用紅外測溫儀測得溫度，然后將傳感器黑體腔探頭快速接觸熱源測得其信號。表1為系統測溫數據，實(shí)驗表明，藍寶石光纖黑體腔高溫傳感器測溫范圍為800～2000℃，測溫精度為測量精度為1%，測量重復性為0.3%。

綜上所述，此測量系統具有測溫范圍廣、響應快、穩定性高、抗電磁干擾性能強等優(yōu)點(diǎn)，能進(jìn)行特殊環(huán)境下的實(shí)時(shí)高溫測試。在冶金、機械、化工、建材等行業(yè)的被測體溫度的測量與在線(xiàn)控制中有廣泛應用前景，對產(chǎn)品的質(zhì)量保證與控制有重要意義。