蓝宝石光纤高温传感器原理浅析

　　1、发展史

　　六、七十年代，辐射测温技术有了飞速的发展，该技术具有能测量运动物体和不破坏被测对象的温度场等特点，可用于瞬态温度的测量。国内外许多研究机构对此进行了研究，并开发了相应的产品。美国Vanzette公司首先生产了带光导纤维探头的辐射温度计，R.R.Dils的专利U.S.Patent #4、750、139介绍了一种用蓝宝石光导棒温度传感器测量高温的方法。尽管已经有了商业化产品，但大部分传感器测温范围低，响应速度慢，远不能满足瞬态温度测量的要求，而且价格昂贵。

　　在国内，清华大学、浙江大学及西安电子科技大学等高校也开展了光纤高温传感器方面的研究。清华大学周炳琨等人于1989年1月申请了光纤黑体腔温度传感器 专利。863计划项目之一，浙江大学物理系沈永行等人所研制的蓝宝石黑体腔光纤传感器，采用高发射率的陶瓷高温烧结制成的微型光纤感温腔，具有良好的长期稳定性和较高的测试精度;其静态测温范围为500℃～1800℃，测温精度优于±0.2%，已开始少量应用，并正在进一步推广之中。但总的来说，国内的工作多集中在静态高温测试中，动态测试研究较少。

　　基于Plank黑体辐射定律，我们以镀有高温陶瓷的蓝宝石光纤为黑体高温传感器构建了高温测试系统，并测试了运动乙炔焰的温度。该结果对解决目前诸多工程实际应用中瞬态高温测试难题具有明显地意义。

　　2、理论基础

　　光纤温度传感器系统包括端部掺杂质的高温蓝宝石单晶光纤探头、Y型石英光纤传导束、超高亮发光二极管(LED)及驱动电路、光电探测器、荧光信号处理系统 和辐射信号处理系统。如图1所示。

　　在高温区(400℃以上)，光纤温度传感器基于光纤被加热要引起热辐射的原理工作。热辐射效应光强调制型光纤温度传感器属于被动式光强调制，它不需要外加光源，而直接由蓝宝石光纤制成的黑体腔收集热辐射，然后通过传输光纤送到光电二极管探测并进行数据处理。热辐射的强度和波长是温度的函数。采用带黑体腔的 高温单晶蓝宝石(α-Al2O3)光纤(其熔点温度为2050℃)，当黑体腔与待测温度区热平衡时，黑体腔就按照黑体辐射定理发射与待测温度T相对应的电 磁辐射，其谱功率密度出射率可以用Plank公式表示为

　　(1)

　　其中ελ为黑体腔的谱发射率;C1=3.74×108 W•μm4/m2为第一辐射常数;C2=1.44×102 μm•K为第二辐射常数;λ为光谱辐射波长;T为黑体辐射温度。这一功率经高温光纤直接耦合进入低温光纤，然后射入光电二极管光敏面。考虑到光电二极管光敏面的光谱响应为0.4～1.1 μm，同时为了使黑体腔的发射率稳定，控制黑体腔的长径比大于3，于是黑体腔谱发射率ελ≈1， 入射到光电二极管光敏面的黑体总辐射能量为