鉭-氧化鋯光纖黑體腔溫度傳感器特性參數測試

郝曉劍,桑濤,潘保武,周漢昌(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,山西太原00051; 2.中北大學電子測試技術重點實驗室,山西太原00051; .中北大學材料科學與工程學院,山西太原00051)

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鉭-氧化鋯光纖黑體腔溫度傳感器特性參數測試

郝曉劍1,2,桑濤1,2,潘保武3,周漢昌1,2
(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,山西太原030051; 2.中北大學電子測試技術重點實驗室,山西太原030051; 3.中北大學材料科學與工程學院,山西太原030051)

摘要:為了實現惡劣環境、狹小空間瞬態高溫的測量,采用濺射、等離子體噴涂技術研制了藍寶石光纖鉭(熔點為2997℃)-氧化鋯(熔點為2715℃)薄膜黑體腔瞬態高溫傳感器。設計了3支水電解的氫氧焰槍組成的恒溫高溫靜態靈敏度標定裝置和大功率高頻可調制CO2激光脈沖作為階躍激勵源的動態特性標定裝置。測試結果表明:當靜態靈敏度標定裝置恒溫區為1 721℃、傳感器抗沖擊能力達到50 MPa以上時,傳感器測得的溫度為2 802℃;當CO2激光脈沖作為1 500℃高溫階躍輸入信號時,測得該傳感器時間常數為微秒數量級。

關鍵詞:儀器儀表技術;鉭-氧化鋯薄膜;動態特性;瞬態超高溫;抗沖擊能力;測試

0　引言

瞬態溫度測量工作的特點是溫度高,變化快,常伴有高壓或高速氣流流動,多為不可重復一次性過程。因此,測量條件非常惡劣,技術難度很高,特別是在許多場合試驗成本很高,對系統的可靠性和數據的捕獲率有很高的要求。盡管目前已有很多適用于不同溫度范圍和響應速度的測溫傳感器,但在這個領域的理論研究和實踐仍不能滿足測量工作的需要,無法滿足大的溫度范圍(如大于2 000℃的高溫)、高響應速度(如時間常數τ＜1 ms)瞬態超高溫測量的要求。

藍寶石光纖鉭-氧化鋯黑體腔溫度傳感器把輻射測溫技術和光纖傳感技術有機地結合起來,具有靈敏度高(高溫下)、不受電磁干擾、響應速度快等優點。為了解決傳感器能在惡劣環境、狹小空間中瞬態高溫測量的難題,將藍寶石光纖黑體腔裝在不銹鋼螺塞狀的緊湊殼體中,用耐高溫有機硅涂料填補間隙防止漏光,信號通過ST連接器與錐度光纖相連,便于遠距離傳輸。傳感器外殼也可采用美國COTRONICS公司的760型氧化鋯陶瓷材料,可以在室溫下成型,成型后可以在4 000℉(2 204℃)溫度下使用。該傳感器具有傳統熱電偶無法比擬的高溫穩定性和瞬態響應特性,在瞬態表面高溫測量領域具有很好的應用前景。

1　傳感器測溫原理

瞬態高溫傳感器由藍寶石光纖鉭-氧化鋯黑體腔、傳光光纖、光纖耦合器、固態光電倍增管(SSPM)及低噪聲跨阻放大電路組成,如圖1所示。

圖1　傳感器的組成Fig.1 Composition of sensor

瞬態高溫傳感器是根據對傳感器的輻射光信號探測得到被測瞬態高溫的。根據Gouffe理論,當選擇的光纖感溫腔膜層材料發射率ε大于0.5,感溫腔結構尺寸L/ D大于10時,腔口有效發射率E0就非常接近1,而且是一個穩定的值,這樣藍寶石光纖感溫腔就可以被看作為一光纖黑體腔。將黑體腔溫度傳感器置于溫度為T的被測區域內,波長為λ的單色輻射通量Φ(λ,T)由Planck黑體輻射定律決定,它是溫度T的單值函數,欲測量黑體溫度,只需測出黑體在給定波長附近的單色輻射通量即可。如圖1所示,輻射通過光纖傳至SSPM后輸出的電壓可表示為

式中:λ、Δλ分別為探測的波長和帶寬;R(T)可由數值積分得到;K取決于光信號傳輸過程中各種光纖傳輸、耦合和其他光學元件的插入損耗、窄帶光電探測器的靈敏度系數,難以用理論計算精確獲得。若忽略溫度變化引起損耗和發射率隨溫度的改變,它是與溫度無關的裝置常數,可通過靜態標定得到。

對于藍寶石光纖高溫傳感器,其變換原理的非線性特性由普朗克黑體輻射定律和光電倍增管特性等因素決定。藍寶石光纖高溫傳感器測溫系統的線性化校正函數可通過圖2實現。系統的原始輸入量為瞬變溫度T,經藍寶石光纖黑體腔輻射到光纖中,轉換為與溫度成非線性函數關系的能量值P,系統輸出為光電放大器輸出電壓V,將V代入線性化校正函數,則系統希望得到校正后的最終電壓值VY與溫度T呈線性關系。如果需要輸出T,可將VY作為自變量解出函數T值。由于K與溫度無關且經過了線性化校正,只需在一個溫度下標定即可[1]。

圖2　傳感器線性化校正原理圖Fig.2 Linear calibration of sensor

2　傳感器黑體腔結構設計

2.1鉭-氧化鋯黑體腔的形成

黑體腔可選擇低成本高熔點金屬鉭(或鉬)作為黑體腔底層膜層,因其透明,需在鉭膜上鍍制高熔點氧化物薄膜取代貴金屬膜構成藍寶石光纖黑體腔,以適應瞬態超高溫的測量。

鉭的熔點為2 997℃,沸點5 427℃,密度為16.5 g/ cm3.鉭有著非常出色的化學性質,具有極高的抗腐蝕性。濺射鉭膜的藍寶石光纖如圖3所示,鉭膜膜層的SEM(掃描電子顯微鏡)圖如圖4所示,從圖中看出膜層表面光滑,沒有縫隙等瑕疵[2-3]。

在空氣中,鉭從300℃～325℃開始氧化,溫度高于550℃時,氧化速度明顯增加,生成氧化物Ta2O5.Ta2O5的摩爾體積與鉭的摩爾體積之比為2.50,這導致了氧化膜的斷裂或分層,當溫度高于500～550℃時,隨時間增加,氧化逐漸轉變成破壞性氧化[4-6]。

圖3　濺射鉭膜Fig.3 Sputtered tantalum thin film

圖4　鉭膜SEM圖(放大50倍)Fig.4 SEM photograph of tantalum thin film (50×)

顯然,在藍寶石光纖頭部鍍制鉭膜形成的黑體腔不能在高溫氧化環境下工作(金屬鉬也存在類似的缺點。其熔點2 630℃,沸點5 700℃,相對密度10.23 g/ cm3),因此需要在鉭膜上鍍制保護膜層以適應在氧化環境下工作[7-8]。在鉭膜表面用等離子熱噴涂工藝鍍制氧化鋯薄膜[9-11]。氧化鋯熔點高達2 715℃,化學性質穩定,可以保護鉭膜不受氧化環境影響。采用等離子熱噴涂工藝在藍寶石光纖上鍍制的氧化鋯膜層經電鏡掃描后成像如圖5所示。

圖5　鉭-氧化鋯黑體腔SEM圖(放大250倍)Fig.5 SEM photograph of Ta-ZrO2blackbody cavity (250×)

從圖5可以看出,氧化鋯膜層無剝離、裂縫現象,且與光纖結合緊密。如圖6所示,3支氫氧焰噴槍產生的熱源加熱Ta-ZrO2的光纖頭部,用IRCON公司Modline3(M3:1 000℃～3 000℃)型紅外測溫儀測量光纖端面溫度,氫氧焰溫度可達2 800℃,火焰小、熱量集中且使用方便。當加熱時間為15 s,加熱溫度在1 500℃以上時,氧化鋯膜層未受破壞;在加熱時間超過30 s,加熱溫度2 000℃以上時,氧化鋯膜層有熔化現象。分析認為,紅外輻射測溫儀顯示的溫度是視場內的平均溫度,光纖頭部局部溫度已超過了藍寶石光纖的熔點2 045℃.實驗表明,該黑體腔傳感器可以應用在瞬態高溫環境下。

圖6　氫氧焰高溫恒溫區Fig.6 Constant temperature zone generated by oydrogen and oxygen flame guns

2.2光電轉換及低噪聲放大電路

為了實現傳感器結構小型化,簡化光電轉換模塊結構設計,可以與藍寶石光纖直接耦合,選用了增益為4×105,響應時間小于1 ns,截面面積約為1 mm2的SSPM作為光電轉換元件。

SSPM輸出的是微弱的電流信號,所以前置放大電路需要提供很高的跨阻增益,為后續電壓信號的調理、A/ D轉換提供合適的電壓信號,這極容易引入噪聲;同時,由于測試的高溫信號是瞬態變化的,因此要求前置放大電路具有足夠的帶寬。所以,在低噪聲前置放大電路設計時,需要綜合考慮增益、帶寬、噪聲、靈敏度等性能指標。要求前置放大電路具有較大的增益和較寬的帶寬、極小的輸入偏置電流以及采用單電源運放等優點。設計制作的低噪聲光電放大電路如圖7所示。

根據(1)式,如果已測得傳感器輸出電壓,通過靜態標定得到靈敏度K,就可以獲得測量溫度。

3　傳感器性能參數及實驗標定方法

3.1靜態靈敏度K值高精度標定

對靈敏度K進行靜態標定,可以確定溫度與光電放大器輸出電壓之間的關系。理論上K值可由(1)式計算得出,但因系統的復雜性和各種因素的影響,難以精確計算,因此要靠實驗標定[12]。

圖7　低噪聲光電放大電路Fig.7 Low noise photoamplifier circuit

根據Planck黑體輻射定律以及理論計算可知,隨著溫度的升高,藍寶石光纖黑體腔高溫傳感器的輸出急劇上升,從900℃～2 000℃,其輸出值變化超過3個數量級,在＜900℃時,信噪比不好;在900℃～2 000℃間,信號輸出變化緩慢;在＞2000℃時,輸出信號急劇上升,所以選擇溫度高的恒溫區進行靜態標定,以提高標定精度。

本文提出一種高溫恒溫區高精度標定方案,如圖8所示。裝置由紅外測溫儀、三爪自定心卡盤、3臺氫氧焰噴槍等構成。3根焰槍固定于中空三爪自定心卡盤上,手動調整卡盤以調整焰槍距離。

圖8　傳感器K值高精度標定方案Fig.8 K-value high accuracy calibration scheme of a sensor

紅外測溫儀輸出的模擬信號由AD0809采集,并輸入單片機。單片機將紅外測溫儀測得的溫度值與設置溫度值比較,以確定是否驅動步進電機工作,驅動傳感器前后移動,調整傳感器與氫氧焰的距離。步進電機驅動機構為滾珠絲桿驅動機構。顯示模塊采用四位一體數碼管靜態顯示,顯示設置的溫度值。鍵盤采用獨立按鍵。流程如圖9所示。

圖9　程序流程圖Fig.9 Program flow chart

實驗選用的氧化鋯為直徑1.5 cm、高7 cm的圓柱體。假設氫氧焰聚焦到氧化鋯端面的圓形光斑直徑為0.002 m,在上表面的中心位置附近形成直徑0.002 m的半球形熔池。ANSYS熱分析后整體溫度場分布如圖10所示。氧化鋯陶瓷端面紅外熱成像端面溫度曲線如圖11所示。從圖10中可以看出,陶瓷端面中心最高溫度在1 791.12℃,溫度起伏較小,用經高溫黑體爐檢定過的M3紅外測溫儀和單片機精確控制恒溫區的溫度,將藍寶石光纖黑體腔溫度傳感器置于氫氧焰熱源形成的恒溫高溫區域中,利用(1)式可求出靜態靈敏度系數K.

圖10　整體溫度場分布Fig.10 Whole temperature field distribution

3.2傳感器耐壓測試

為了檢驗傳感器在測試高溫時能否承受高壓的惡劣環境,設計了溫度傳感器耐壓測試裝置。該裝置主要包括壓力傳感器、錘擊式壓力發生器、激光加熱源和溫度傳感器,如圖12所示。在對該溫度傳感器探頭施加一定壓力的同時,并對溫度傳感器的探頭用激光加熱。計算機接收到由數據采集卡采集的壓力傳感器和溫度傳感器的輸出,如圖13所示。

圖11　端面溫度曲線Fig.11 Temperature cures of transverse plane

圖12　溫度傳感器耐壓測試Fig.12 Pressure resistance test of temperature sensor

圖13　壓力-時間曲線Fig.13 Pressure-time curve

根據測試數據分析,當錘擊式壓力發生器產生的壓力大于50 MPa,此時溫度傳感器輸出的電壓最大值為903.8 mV,根據靜態標定,靜態靈敏度系數K值為65.084×106V·m2/ W,可以得到此時的溫度為2 802℃.

3.3傳感器時間常數實驗標定

傳感器的動態響應時間測量由圖14所示。采用階躍上升的1 500℃高功率CO2激光束經45°反射鏡后聚焦到藍寶石光纖黑體腔溫度傳感頭上,用示波器記錄SSPM的輸出得到其輸出溫度電壓信號隨階躍激光信號的變化。因為時間常數受很多且很復雜因素的影響,利用理論計算方法很難獲得準確的數據,因此,在實際應用中都是采用動態標定實驗(風洞或激光器)的方法[13]。可以近似地用1階系統來描述大部分溫度傳感器的動態特性。通過給出傳感器階躍響應曲線,即傳感器的動態響應時間常數用穩態時間的63.2%來表示[14],約為794 μs,如圖15所示。

圖14　測量響應時間原理圖Fig.14 Measurement principle of response time

圖15　傳感器的動態響應時間圖Fig.15 Dynamic response time of sensor

4　結論

1)加工了鉭-氧化鋯黑體腔傳感器樣品,采用了可與藍寶石光纖直接耦合的高增益、高響應速度的固態光電倍增管SSPM作為光電探測器,研制了小型藍寶石光纖黑體腔瞬態表面超高溫傳感器。

2)對該溫度傳感器的溫度、耐壓值、時間常數進行了測試,為在惡劣環境下瞬態超高溫的測量提供了一種方法。

3)設計了利用3支水電解的氫氧焰槍組成的溫度傳感器1 721℃高溫靜態標定裝置,對作為金屬傳熱體的氧化鋯內部溫度分布進行了分析和ANSYS仿真,確定了恒溫區,提高了標定精度。

4) SEM測試表明,鉭-氧化鋯黑體腔在超高溫下容易燒蝕,進一步研究、探索合適的黑體腔鍍膜工藝,延長其使用壽命。

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Research on Characteristic Parameters of Ta-ZrO2Fiber Blackbody Cavity Temperature Sensor

HAO Xiao-jian1,2,SANG Tao1,2,PAN Bao-wu3, ZHOU Han-chang1,2
(1.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement of Ministry of Education, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China; 2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China; 3.School of Materials Science and Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China)

Abstract:In order to realize the transient high temperature measurement in the harsh environment and narrow space, a sapphire fiber tantalum (melting point 2997℃)-zirconia (melting point 2715℃) thin film black body cavity transient high temperature sensor is developed by the sputtering and plasma spraying technology.Constant high temperature static sensitivity calibration device, which is composed of three water electrolysis oxyhydrogen flame guns, and dynamic characteristic calibration device with high power and high frequency modulated CO2laser pulse as step excitation source are designed.The measured results show that, when the temperature of constant temperature area of the static sensitivity calibration device is 1 721℃and the impact resistance of the sensor is up to above 50 MPa, the temperature measured by the sensor is 2802℃.When the CO2laser pulse is used as a high temperature step input signal at 1 500℃, the time constant measured by the sensor is μs order of magnitude.

Key words:apparatus and instruments technology; Ta-ZrO2thin film; dynamic characteristic; transient ultra-high temperature; impact-resistant capacity; measurement

作者簡介:郝曉劍(1969—),女,教授。E-mail:haoxiaojian2012@126.com

基金項目:國家自然科學基金項目(61473267);國防技術基礎科研項目(JSJC2013408C009)

收稿日期:2015-03-22

DOI:10.3969/ j.issn.1000-1093.2016.02.025

中圖分類號:TP212.11

文獻標志碼:A

文章編號:1000-1093(2016)02-0373-06