高溫藍寶石光纖溫度傳感器校準測試系統研究

閻 濤，趙 靖，袁玉華，王志浩

（1.航天科技集團公司四十四所 陜西 西安 710065；2.航天科技集團公司四〇一所 陜西 西安 710025）

在溫度測量應用中，經常會遇到高溫含氧、易燃易爆、強電磁干擾等惡劣的工作環境，此時傳統的測溫技術如熱敏電阻、熱電偶、溫敏二極管等難以滿足實際的使用需要，因此光纖溫度傳感器憑借其極高的靈敏度和精度、固有的安全性、良好的抗電磁場干擾能力、高絕緣強度以及耐腐蝕、重量輕、體積小、寬頻帶等優點取得了越來越廣泛的應用。其中藍寶石光纖溫度傳感器更是以其較高的溫度測量上限、出色的測量精度和動態響應，以及接觸式測溫直接準確的特點，在一些特殊的高溫測量領域中發揮著越來越重大的作用[1]。

高溫藍寶石光纖溫度傳感器是一種基于黑體輻射原理的接觸式穩態溫度傳感器，它是在傳統的藍寶石光纖溫度傳感器測量結構的基礎之上[2]，通過設置獨立的感溫帽結構、使用低熱導率的陶瓷保護套管進行隔熱保護以及合理設計藍寶石光纖的安裝位置等措施，使該類傳感器的溫度測量上限從1 900℃提高到了2 400℃以上，從而為其研究和應用的發展開辟了更為廣闊的空間。為了模擬傳感器的實際安裝測量方式，本文設計研究了一種適用于高溫傳感器的標定和測試系統，通過氧乙炔高溫綜合測試平臺和上位機測試應用軟件的結合，為傳感器試驗提供了一個穩定、可靠、安全、便捷的平臺。

1 傳感器測溫原理

1.1 溫度測量原理

高溫藍寶石光纖溫度傳感器主要由傳感器探頭、傳輸光路及后端的信號處理顯示部分組成。根據黑體輻射理論，任何物體當溫度高于絕對零度時都會以電磁波的形式向外輻射能量，而且該輻射量與溫度呈近似的指數關系[3]。高溫傳感器就是通過探頭前端的感溫帽來感受被測溫度場并產生熱輻射，輻射光被藍寶石光纖接收后經透鏡結構耦合到石英光纖中，傳輸到后端的信號處理模塊中進行窄帶濾光、光電轉換、信號調理、AD采樣和數字信號處理，最后傳遞到上位機中進行顯示和存儲。

圖1 高溫傳感器系統結構Fig.1 System structure of ultrahigh temperature sensor

對高溫傳感器而言，感溫輻射腔在測量過程中并不處于等溫狀態，因此并不能等效為黑體輻射腔，Plank黑體輻射公式也并不適用。在試驗過程中發現，使用Plank公式進行溫度解調的誤差在120℃以上，無法滿足傳感器的使用要求，為此在對試驗數據分析研究的基礎上對Plank公式進行了補償修正，其算法公式為：

式中 Tp是 Plank 公式的計算溫度，V（λ0，T）為傳感器的輸出電壓，A1、A2、A3是補償修正系數，T是補償修正后的結果。其中

式中C1和C2分別是第一與第二輻射系數，其中η（λ）為光信號傳輸過程中的各種損耗，f（λ）為干涉濾光片的光譜響應函數，D（λ）為光電探測器的光譜響應函數，εA（λ0）為輻射腔的單色發射率，λ0為窄帶濾光片的中心波長，Δλ為濾光片的半波帶寬。

1.2 多溫度點的標定原理

高溫傳感器的標定是為了實現溫度解調計算公式中未知參數的求取。式中的數值理論上可以由公式（3）直接計算得到，但由于實際系統的復雜性及各種因素的影響，該參數通常難以精確計算，但在整個測溫范圍內受溫度的影響不大，因此在傳感器系統確定的情況下可以將其看作是一個常數，通過試驗標定來得到。另外，補償修正系數A1、A2、A3也需要根據標定數據進行最小二乘擬合來得到。

在標定過程中需要首先求取參數B（λ0），根據Plank公式有：

之后根據公式 （1）采用最小二乘擬合的方法計算系數A1、A2、A3。因此標定過程至少需要三組傳感器輸出電壓-輻射測溫儀溫度示值的對應數據，并且數據個數越多，在整個測量范圍內的整體平均誤差就越小。

2 標定測試系統

2.1 氧乙炔高溫綜合測試平臺

氧乙炔高溫綜合測試平臺是為了滿足傳感器的標定和測試需求而設計的，該平臺使用氧乙炔火焰作為試驗的熱源，通過閥門分別對氧氣和乙炔兩種氣體的壓力和流量進行控制，并由壓力變送器和質量流量計對其進行實時測量并在計算機上進行顯示；兩種氣體在噴槍口外混合并燃燒，噴槍的位置通過三維手動調節機構進行調整，從而改變火焰的燒蝕位置和燒蝕深度，以使傳感器的感溫探頭處于不同的溫度場中；傳感器探頭安裝在夾持固定平臺上，并由循環水冷卻系統對其安裝部分進行隔熱降溫。

在標定和測試過程中，使用IRCON公司的Modline 5R-3015型紅外測溫儀作為參考溫度基準，其溫度測量范圍是 1000～3000℃，測量誤差在 0.5%以內，而對于 1000℃以下的溫度測量使用熱電偶進行，通過兩者數據的交叉融合為傳感器提供整個量程范圍內的溫度基準。測溫儀固定在二維轉動云臺上，通過調節水平和豎直角度來實現測量焦點的靈活選擇。

圖2 氧乙炔高溫綜合測試臺外觀Fig.2 Appearance of the high-temperature comprehensive testing platform of oxyacetylene

圖3 氧乙炔高溫綜合測試臺的基本結構Fig.3 Basic structure of the high-temperature comprehensive testing platform of oxyacetylene

2.2 上位機測試應用軟件

為滿足高溫傳感器試驗過程中的標定和測試需要，本文使用圖形化編程語言LabVIEW編寫了上位機測試應用軟件[4]。該軟件主要用于將傳感器的溫度計算結果與輻射測溫儀和熱電偶提供的溫度基準進行對比顯示及存儲，并實現傳感器多溫度點下的標定功能。

在多溫度點標定計算中，除包含了加減乘除等基本運算外，還需要基于最小二乘法的曲線擬合運算，該算法的編寫相對復雜，但可以在LabVIEW軟件中使用MATLAB腳本節點調用lsqcurvefit函數從而非常方便地實現。使用MATLAB腳本節點實現標定參數計算的子程序如圖4所示。

圖4 基于MATLAB腳本節點的標定參數計算程序Fig.4 Calculation program of calibration parameters based on MATLAB script

3 傳感器的標定及測試

3.1 多溫度標定過程

在進行傳感器標定和測試試驗之前，需要將傳感器探頭固定在夾持固定平臺上，調整輻射測溫儀的焦點位置，使其對準探頭前端并且兩者之間的距離約為120 mm；運行上位機軟件，設置好濾光片波長等參數并與傳感器和輻射測溫儀分別建立通訊；在冷卻系統中通入循環水，點燃氧乙炔火焰并將兩種氣體的流量分別調整到最佳數值，通過移動噴槍位置就可使探頭處于不同的溫度中。

由多溫度點的標定原理可知，標定過程需要在至少三個溫度下進行，待傳感器輸出穩定后將傳感器輸出電壓-輻射測溫儀溫度示值對應數據存入標定數組中，當存入三組以上的數據后就可以點擊“完成標定”來計算參數值。在標定過程中，由于傳感器探頭存在一定的熱響應時間，因此必須等輻射測溫儀示值和傳感器輸出都達到穩定后才能進行標定數據的存儲，否則會使傳感器的標定誤差過大，甚至造成標定參數計算錯誤，影響傳感器的實際應用。

標定過程中的數據曲線如圖5所示，其中下方曲線為傳感器的計算溫度，上方曲線為輻射測溫儀的測量溫度。從圖中可以看到，傳感器分別在1 100、1 504和2 070℃3個溫度下進行了標定，并且是在傳感器輸出和輻射測溫儀示值都基本穩定后進行，完成標定后兩條曲線立刻接近重合。

3.2 測試結果

由于在實際使用中，探頭后端是埋入在復合材料殼體中，只依靠前端的感溫帽感受外表面的環境溫度，為模擬真實的測溫方式，在試驗過程中只使用氧乙炔火焰加熱感溫帽部分，并通過循環水冷卻結構對探頭的安裝部分進行隔熱降溫。對完成標定的傳感器進行高溫測試的結果曲線如圖6所示。

在整個試驗過程中，穩態下的測量數據及其對應的最大誤差如表1所示。

圖5 高溫傳感器的標定曲線Fig.5 Calibration curve of the ultrahigh temperature sensor

圖6 高溫傳感器的試驗曲線Fig.6 Testing curve of the ultrahigh temperature sensor

表1 傳感器穩態試驗結果（℃）Tab.1 Steady-state testing result of the sensor（℃）

從表中可以看出，傳感器的穩態測量誤差在1 900℃以上時相對較大，最大值超過了20℃，這主要是傳感器探頭的表面氧化造成的。在試驗過程中，通過改變氧乙炔火焰的燒蝕深度來調節傳感器探頭所處的溫度場，因此要為傳感器提供非常高的溫度，就必須使探頭處于氧乙炔火焰的內焰位置，此時探頭材料會在高溫條件下被火焰中未反應的氧氣氧化，如此惡劣的環境也使得較難被氧化的陶瓷材料的表面都形成了一層白色的氧化物膜層[5]，并對測量結果產生了一定程度的影響。

4 結 論

文中通過對高溫藍寶石光纖溫度傳感器的測量結構和標定原理進行分析，設計了一套基于氧乙炔高溫綜合測試平臺和上位機測試應用軟件的標定測試系統，實現了高溫傳感器在多溫度下的標定以及模擬真實測溫方式的測試試驗。試驗結果表明，該系統能夠提供長時間穩定的高溫熱源，可方便地調節溫度；試驗過程中傳感器安裝固定部分始終處于冷卻狀態，可隨時進行拆裝并開始新試驗；標定和測試中雙比色輻射測溫儀能夠削弱光線傳輸路徑上損耗的影響，提供的溫度基準準確可靠。盡管氧乙炔火焰使得感溫帽更易發生氧化，但該系統能夠滿足傳感器的多點標定和測試試驗需要，具有較好的可靠性和穩定性。

[1]郝曉劍，李科杰，蔣三平，等.基于分離變量法的瞬態高溫外推測試研究[J].中北大學學報：自然科學版，2010，32（2）：150-155.

HAO Xiao-jian，LI Ke-jie，JIANG San-ping.An extrapolation measuring method for transient high-temperature based on separation of variables[J].Journal of North University of China：Natural Science Edition，2010，32（2）：150-155.

[2]SHEN Yong-hang，TONG Li-min，WANG Yang-qi，et al.Sapphire-fiber thermometer ranging from 20 to 1800℃[J].Applied Optics，1999，38（7）.

[3]劉玉莎.基于黑體空腔的光纖高溫測試系統的研究[D].北京：燕山大學，2008.

[4]阮奇楨.我和Lab VIEW:一個NI工程師的十年編程經驗[M].北京:北京航空航天大學出版社，2009.

[5]尹衍升，陳守剛，李嘉.先進結構陶瓷及其復合材料[M].北京:化學工業出版社，2006.

[6]王延蕾，欒美生，于彤彥.高溫火焰測量裝置的標定[J].紅外技術，2009，31（7）:399-402.

WANG Yan-lei，LUAN Mei-sheng，YU Tong-yan.Calibration of high-temperature flame measurement device[J].Infrared Technology，2009，31（7）:399-402.