藍寶石光纖高溫測量技術進展

王楠楠，師鈺璋，王高，周漢昌，熊季軍，梁海堅,劉爭光

(1.中國航發貴陽發動機設計研究所，貴州 貴陽 550000；2.測試研究所，山西 太原 030051；3. 中北大學信息與通信工程學院，山西 太原 030051)

0 引言

溫度是體現物質狀態的重要參數之一，它的準確測量在科學研究、軍事、航空及工業生產中都具有十分重要的意義。在工業上，冶金行業雙輥鑄軋生產中，熔池中鋼水的溫度直接會影響到鋼坯的質量，必須準確快速地測量出熔池中鋼水的溫度；軍事上，對炮筒、槍膛等內部溫度的監測，以及對爆炸時產生的火焰溫度測量，火焰溫度高、沖擊力大、持續時間短，都增加了測溫的困難；航空領域中，燃燒效率是航空發動機最重要的技術指標之一，對發動機內部溫度的實時監測是保障發動機高效率穩定運行的必要技術手段，溫度傳感技術特別是高溫傳感技術在航空航天領域具有十分重要的作用[1]；化工領域，溫度不僅會影響到化學反應進行的效率，而且對化學過程的溫度監測也十分重要，稍有不慎，就會給操作人員和財產帶來損害。總之，這些領域的測溫環境都十分惡劣，對傳統的測溫材料及測溫方法提出了挑戰。

傳統熱電偶在高溫環境下抗腐蝕能力差、抗電磁干擾性能差、壽命短、消耗大(探頭為一次性，每次測量后必須更換探頭)、體積大、響應速度較低、不能連續或高頻率測溫、測溫范圍小、測量精度低等。市面上使用最多的鉑銠合金熱電偶，由于鉑銠合金稀缺，而使得熱電偶的成本很高，且鉑、銠在高溫環境下極易氧化。最新的銥銠合金測溫方法，國內沒有標準，且這些金屬依然十分昂貴，限制了使用。另一種比較常見的非接觸式紅外測溫方法，易受環境因素的影響，限制了其在惡劣環境中的應用。

陶瓷等非金屬是優良的測溫材料。藍寶石單晶光纖物理化學性能穩定，熔點高達2045 ℃，具有良好的光傳輸性能，800 nm以上的紅外波段藍寶石單晶具有接近90%的透射率，對近紅外和紅外光的傳輸損耗較小，已有報道用于熱輻射傳感[2]。制作成的藍寶石光纖在1800 ℃，仍有很強的機械性，滿足高溫惡劣環境測量溫度的需求[3]，且具有良好的聲傳輸性能。基于以上優點，藍寶石單晶光纖成為測量高溫的良好材料，在測溫領域有廣泛的應用。本文介紹了利用藍寶石單晶光纖進行溫度測量的幾種方法，即藍寶石光纖輻射高溫測試技術、藍寶石光纖光柵高溫測試技術、藍寶石光纖琺珀高溫測試技術、藍寶石光纖超聲波導高溫測試技術和藍寶石光纖熒光高溫測試技術的原理、現狀、優缺點及發展趨勢。

1 藍寶石光纖溫度傳感技術

1.1 藍寶石光纖輻射高溫測試技術

1.1.1藍寶石光纖輻射高溫測試技術原理

輻射測溫是利用黑體熱輻射與溫度的Plank定理來測量物體溫度的方法。

Plank定律給出了輻射場能量密度按頻率的分布，即在一定溫度下，單位面積黑體在單位時間、單位波長間隔內及單位立體角內輻射量M0為

(1)

式中：λ為物體的輻射波長；Τ為物體的絕對溫度；C1，C2分別為第一和第二輻射常數，它們的值分別為C1=3.718×10-16Wm2，C2=1.4388×10-2mk。

1.1.2藍寶石光纖輻射高溫測試技術進展

美國Dils R R 博士于1982年首次研制出藍寶石單晶光纖輻射高溫計。利用濺射方法，在直徑為0.25 mm、長度為0.05 m的藍寶石光纖的一端制作了小型黑體腔，在另一端利用普通硅材料光纖進行信號的傳輸，將輻射信號傳輸到探測器，并且對該藍寶石單晶光纖輻射高溫計進行了單點溫度校準。該儀器具有高精確度和靈敏度、響應速度快的優點，測溫范圍達到600～2000 ℃，可廣泛應用于科研和工業領域。該方法于1988年在美國獲得專利，美國國家標準局將其作為新的溫度測量標準范圍內的630～1064 ℃[4]。

圖1 藍寶石單晶光纖輻射高溫計

1989年1月，清華大學周炳琨等人申請了光纖黑體腔溫度傳感器專利。專利指出,傳感器結構穩定可靠、體積小、成本低，測量范圍為400～1300 ℃，靈敏度可達0.1 ℃，空間分辨力為幾百微米，響應時間達毫秒量級[5]。

1997年，藍寶石單晶光纖高溫儀由浙江大學葉林華、沈永行等人首次研制成功，分析了藍寶石光纖高溫傳感頭特性。測溫范圍為800～1700 ℃，測溫精度在1000 ℃時達到0.2%，分辨力為1 ℃，已經應用于爐膛溫度監測[6]。

2001年，華南理工大學王洪開發出一種基于黑體輻射原理的新型藍寶石高溫光纖傳感器和光纖溫控儀，儀器測溫范圍為600～1800 ℃，分辨力優于0.1 ℃，空間分辨力達到1.5 cm，可用于科研及工業生產中特殊環境條件下的溫度測量[7]。

2004年，中北大學的周漢昌、王高等人利用藍寶石光纖、錐形高溫光纖等研制了瞬態高溫測試系統，動態響應時間小于30 ms，誤差為1%，能在惡劣環境下對1200～2000 ℃的瞬態高溫進行測量[8]，并且在鍍膜材料、電路處理、校準、工程應用等方面進行了更為深入的研究。

近年來，中國航空航天動力研究院[9]、南京師范大學[10],北京長城計量測試技術研究所[11]等單位也對藍寶石光纖輻射高溫測試技術進行了一定研究和實驗，進一步深化了研究。

國外，利用該方法生產的高溫儀已經產品化，Accufiber[12]等公司已經生產出了應用在燃氣輪發動機、渦輪發動機等高溫環境下的藍寶石光纖溫度儀。

1.1.3優缺點與發展趨勢

藍寶石光纖輻射高溫測試技術的優點：①環境適應性強，適合各種環境，穩定性好，壽命長；②符合普朗克定律，可以單點標定保證全量程測量不確定度；③量程高，藍寶石光纖熔點為2045 ℃，可長期工作在1900 ℃的環境，瞬態可達2000 ℃；④響應速度比較快。缺點：①量程下限比較高，一般在400 ℃，與光纖直徑、傳輸損耗、探測器靈敏度有關；②系統相對比較復雜，制作工藝也比較復雜；③信號與溫度關系為非線性；④成本較高，推廣困難，適合特殊應用場合。

隨著氧化鎂、氧化鋯、氧化鉿等高溫透明陶瓷和單晶發展，超高溫單晶光纖輻射測試技術測溫上限有望超過2000 ℃，達到2700 ℃,但測溫下限也有待拓展。

1.2 藍寶石光纖光柵高溫測試技術

1.2.1藍寶石光纖光柵高溫測試技術原理

在相位掩膜技術基礎上，利用飛秒激光器將布拉格光柵寫入藍寶石光纖中。寬帶光源發出的寬帶光譜入射到光纖布拉格光柵后，滿足布拉格條件的光波被反射，反射回窄帶光譜信號。當光纖布拉格光柵所處環境溫度變化時，反射波長會發生相應的改變，通過對反射回的波長信號進行解調，從而得到待測溫度值。

圖2 布拉格光柵測溫原理

(2)

式中：neff為布拉格光柵的有效折射率；Λ為光柵周期。

1.2.2藍寶石光纖光柵高溫測試技術進展

1978年，加拿大通信研究中心的Hill K O等人利用488 nm的氬離子激光器，通過將摻雜了鍺的硅材料光纖暴露于強烈的相反傳播的相關光束下，使光纖纖芯折射率發生周期性擾動，制造出了一種光纖濾波器，通過實驗得出了濾波器能夠對固定波長的光波進行反射，其它波長的光波不受影響的結論，表面濾波器反射特定光波是因為纖芯折射率的改變，且發現了其輸出響應受到了環境溫度和機械壓力的劇烈影響，為光纖光柵在測溫領域的應用奠定了基礎。在這樣的條件下，制造出了歷史上第一根光纖光柵，且反射率將近達到100%[13]。

2004年，Grobnic D等人首次報道并在多模藍寶石晶體光纖中刻寫了反射式布拉格光柵，利用800 nm的飛秒激光和相位掩模的方法，且在溫度為1500 ℃的環境下，在布拉格光柵諧振過程中，并沒有觀察到反射光信號的衰減和滯后，溫度靈敏度達到25 pm/℃[14]。

圖3 飛秒激光刻寫的FBG結構

圖4 室溫到1900 ℃藍寶石光柵光譜

2015年，Habisreuther等人利用刻錄成多模單晶藍寶石光纖的光纖光柵制造了高溫傳感器，該傳感器有良好的動態性能，測量1900 ℃的溫度，誤差在2 ℃范圍內，分辨力為±2k，并且實現了溫度的監測，監測頻率20 Hz[15]。

2016年，孫洪波等人利用飛秒激光直寫技術制備了FBG與LPFG并聯集成結構和微孔布拉格光柵，FBG周期為1.07 μm，長度為2.4 mm，LPFG刻寫在并聯FBG偏心1.8 μm的位置，周期為60 μm，長度為2.4 mm。集成的溫度傳感器，FBG溫度靈敏度為12.98 pm/℃，LPFG為10.93 pm/℃，可同時進行溫度和折射率的傳感，而微孔布拉格光柵主要是進行折射率的傳感[16]。

圖5 集成傳感器結構示意圖

圖6 FBG與LPFG溫度線性圖

2017年，Shuo Yang等人利用脈寬為100 fs紅外激光器將光柵逐點寫入直徑為125 μm的藍寶石光纖中，然后在330 ℃的環境中，用酸溶液去蝕刻藍寶石光纖，將其直徑縮小，最后在高溫爐中以1400 ℃的溫度退火6 h，利用這種方法制成測溫上限為1400 ℃的藍寶石光纖光柵，其靈敏度達到26.5 pm/℃，是普通石英光纖光柵的兩倍多[17]。

2018年，王義平等人首次報道了利用飛秒激光逐行寫入技術，在單晶藍寶石光纖中寫入光纖光柵，分析了光纖直徑、刻痕長度以及光柵周期數對光柵反射率的影響，制備出的光纖光柵能夠測試室溫到1612 ℃的溫度，高溫區靈敏度為36.5 pm/℃[18]。

圖7 飛秒激光逐行掃描制備SFBG技術

此外，國內武漢理工大學[19]、香港理工大學[20]等學校也進行了藍寶石高溫光纖光柵的制備以及高溫傳感的研究.美國Photran和Sapphire Fibers公司已經對其展開了廣泛的研究和應用。

1.2.3優缺點及發展趨勢

藍寶石光纖光柵高溫測試技術優點：①精度較高、反應迅速、靈敏，可實現瞬態測量[21]；②具有線性自參考功能，可實現溫度、應變等多參數同時傳感[21]；③可通過并聯、疊加和級聯等復用方式，實現多點、準分布式光纖傳感[21]；④光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素不會對傳輸信號構成影響[21]。缺點：光以多個模式在藍寶石光纖中進行傳輸，測溫精度提高困難，由于制作光柵需要大功率飛秒激光器，制作系統復雜、維護困難、成本較高，限制了應用。

未來應該通過一定方法降低藍寶石光纖傳輸模式，從而進一步提高測溫精度；改善光纖光柵封裝，加長光纖光柵壽命；提高光檢測波長分辨力；進行寬光譜、高功率光源研究；消除交叉敏感等[23]。

1.3 藍寶石光纖法珀高溫測試技術

1.3.1藍寶石光纖法珀高溫測試技術原理

基于多光束干涉原理，光在法珀腔兩反射端面中進行反射，形成多光束干涉。當外界環境溫度發生變化時，將引起藍寶石的熱膨脹系數和熱光系數發生改變，導致藍寶石晶片的厚度或折射率發生變化，進而導致兩反射光的光程差發生改變，最終引起反射光干涉波長發生移動，對光譜進行解調從而實現對外界環境溫度的傳感。

圖8 藍寶石光纖F-P腔

(3)

式中：λdip為法珀腔的中心波長；n為法珀腔反射面之間介質的折射率；L為腔長。

1.3.2藍寶石光纖法珀高溫測試技術進展

最早利用光纖琺珀腔進行光纖傳感的是日本大學T.Yoshino等人在1982年單模光纖中制作了琺珀腔，分析了光纖琺珀腔的機械應變、溫度和聲波的傳感特性，利用其成功地進行了溫度的監測。

1995年，維吉尼亞理工學院的A.B.Wang教授首次提出外腔(非本征型)法布里-珀羅干涉型藍寶石光纖高溫傳感器，并研制了基于45°拋光表面貼裝的藍寶石光纖干涉儀，實現了650℃的溫度測量。2007年，他們又在原來的基礎上，提出了基于藍寶石片-藍寶石光纖的白光干涉儀，運用精密的加工方法和算法，實現了1600℃的高溫測量，精度達到±0.2%，并可實現傳感器的批量制造。

2010年，Wang J等人利用兩段藍寶石光纖構成空氣間隙法珀腔制成EFPI型傳感器，測溫范圍230 ℃到1000 ℃[27];隨后Zhu Y等人通過將藍寶石光纖端面研磨成45°角的方法，使藍寶石晶片與藍寶石光纖平行排列，避免了垂直固定的難度，但對藍寶石光纖研磨的過程提出了更高的要求[28]。

2015年，上海大學的Pengfei Chen等人通過棒管熔接的方法制作了特殊的藍寶石衍生光纖，將其與直徑相同的標準單模光纖熔接，在熔接處形成了空氣腔，空氣腔和藍寶石衍生光纖的端面一起形成了法珀腔，測溫范圍為室溫到1000 ℃，靈敏度為15.7 pm/℃[29]。

圖9 藍寶石光纖一端的法珀腔

2017年，武漢理工大學的Yao，Yi-Qiang等人利用藍寶石晶片制作法珀腔，形成高溫傳感器，測溫范圍為20～1000℃，該傳感器具有體積小、成本低、制作簡單、重復性好的特點[30]。

此外，暨南大學[31]、東北大學[32]、天津大學[33]等高校也進行了法珀腔高溫傳感器的研究。

1.3.3優缺點及發展趨勢

藍寶石光纖法珀高溫測試技術優點：①傳感器制作方法簡單，結構穩定、成本較低、避免了光纖光柵高溫傳感器制作系統復雜的問題；②靈敏度高,可通過改變法珀腔腔長實現不同靈敏度要求;③測溫范圍下限較低、克服了光纖輻射型傳感器的低溫區域測溫限;④分辨力高。缺點：①干涉儀需要能經受高溫作用的機械支撐和粘附，所以傳感器的耐溫特性和機械性能都會收到各組件熱膨脹系數的適配和復雜的制作工藝的影響；②解調需要復雜的快速傅里葉變換解調技術；③測溫精度較低、響應時間長。

改進傳感器的封裝方式，增加穩定性，提高溫度響應時間和溫度分辨力，縮小傳感器系統尺寸，使之實現微型化；減小噪聲干擾，改善信號解調；研究F-P腔的規模化生產工藝、傳感器的特種封裝與現場安裝技術、傳感系統的長期穩定性與可靠性、大規模現場應用的工藝技術。

1.4 藍寶石超聲波導高溫傳感技術

1.4.1藍寶石超聲波導高溫傳感技術原理

超聲波在液體、固體、氣體中傳播時，其聲速與介質溫度有固定的函數關系。在固體中，當溫度升高時，聲速傳播速度減小，且聲速與溫度的單值函數關系較好。使用中可通過測量超聲波在待測介質中的傳播速度，反演待測溫度。

圖10 藍寶石超聲波導測溫原理示意圖

將帶有區截結構的藍寶石光纖插入待測介質中，達到熱平衡時，通過測量超聲波在區截和敏感元件端面間的傳播時間得出敏感溫度。

聲速計算公式為

(4)

式中：d為區截與敏感元件端面的距離；Δt為聲波在區截與敏感元件端面之間傳輸的時間；V(Τ)為敏感元件中超聲波聲速。

1.4.2藍寶石超聲波導高溫傳感技術進展

120年前，著名的聲學專家Mayer發現了聲速與介質溫度的平方根成正比的重要結論。

20世紀60年代，美國的L.C.Lyn-Nworth等人首次提出超聲脈沖測溫方法，并分別在氣體、液體和固體等介質中進行了試驗，這些被測介質的溫度均達到1000 K以上[34]。

2012年，愛達荷州國家實驗室，使用不銹鋼，鉬等材料作為溫度測量元件，使超聲波溫度傳感器在核反應堆內部溫度。(雖然只有1300 ℃)的測量，但對于超聲波溫度傳感器的材料和結構設計等進行了詳細的研究，并對超聲波信號采集和處理等特點進行了詳細的分析，促進超聲波溫度傳感器的發展[35-36]。

2017年，中北大學王高等人利用長度為340 mm，直徑為0.7 mm藍寶石光纖制作了超聲溫度傳感器，測溫上限達到1800 ℃高溫。此傳感器穩定性好、響應時間快、聲速與溫度線性度好，可以用于測量航空發動機和工業高溫爐的溫度測試[37]。

圖11 測得的波形

圖12 超聲波傳播速度隨溫度的變化關系圖

1.4.3優缺點及發展趨勢

藍寶石超聲波導高溫傳感技術優點：①檢測范圍廣、測溫上限達到材料熔點[38]；②靈敏度高、使用方便、響應速度快；③精度高、沒有溫漂，不受被測介質的顏色、亮度等的影響；④可以應用在粉塵、煙霧、有毒氣體以及電磁干擾等環境下；⑤實時在線連續溫度測量，便于維護和低成本使工業遠程控制和連續在線測量成為可能。缺點：①傳感器體積較大，測得的溫度值為環境中的平均溫度；②超聲聲速受到楊氏模量、材料密度、泊松比、材料的非均勻性等因素的影響[39]；③超聲換能器的技術性能直接影響超聲信號質量和信號接收效果，進一步影響超聲波傳輸時間的精度測量；④測溫機理比較復雜，需采用實驗標定的方法，對固體結構內部超聲聲速與溫度之間的關系進行確定，且無法從機理上解釋熱/聲/固多場耦合特性和內部作用機制[39]。

研究適用于超聲測溫的濾波去噪方法，提高超聲信號的信噪比，選取更加合適的敏感元件材料，研究對超聲多回波信號更加精確有效的分析方法。未來利用氧化鎂、氧化鋯等更高熔點的材料制作傳感器，進一度提高超聲波導的測溫上限。

2 分析與比較

上面描述了四種光纖測溫方法的國內外相關文獻，本部分對幾種測溫方法的量程、分辨力、相應速度和制作工藝等參數進行分析比較，如表1所示。幾種測溫方法各有優劣，用戶可參照表格數據，結合自身所做實驗的要求和測溫環境條件，快速選擇得到最適合的測溫方法。綜上所述，藍寶石單晶光纖是一種可以長期工作在1800 ℃氧化環境的高溫傳感器材料。各種方法分辨力都優于1%，可以對各種環境的靜態溫度進行測試。輻射測溫、FBG測溫和超聲波波導測溫可以對航天領域的部分動態溫度進行測試。最后，合理的高溫結構封裝(高溫陶瓷)和高溫校準技術也是解決高溫測試難題的關鍵技術。各種技術的工程化應用有許多工作可以開展。

表1 幾種測溫方法相關參數的分析比較

3 總結

綜上所述，由于藍寶石單晶光纖良好的物理、力學、化學、光學及機械特性,在高溫應用領域已經得以應用,發展了幾種測溫方法,各有特色，用戶可根據測量環境的具體情況，依據測溫量程、響應速度、分辨力等要求選擇最合適的測溫方法。未來，隨著材料和科學技術發展，可能會出現新的測溫材料(氧化鋯)以及測溫方法(光譜)豐富高溫測試技術,不斷滿足工程需求。