藍(lán)寶石光纖高溫傳感技術(shù)研究

1、第31卷第5期浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 (N atural Science 5V o l . 31藍(lán)寶石光纖高溫傳感技術(shù)研究葉林華沈永行(浙江大學(xué)物理系, 杭州, 310027 提要本文報(bào)導(dǎo)了藍(lán)寶石單晶光纖高溫傳感器的研制工作. 對(duì)藍(lán)寶石單晶光纖高溫傳感頭的熱輻射特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究, 并在此基礎(chǔ)上研制成雙波長藍(lán)寶石單晶光纖高溫儀, 儀器的測溫范圍8001700, 測溫精度0. 2%(1000 , 分辨率1, 可應(yīng)用于科研和工業(yè)生產(chǎn)中某些特殊環(huán)境下的溫度測量.關(guān)鍵詞:藍(lán)寶石光纖; 光纖傳感; 輻射測溫中圖法分類號(hào):TN . 064 0引言2A , 機(jī)械強(qiáng)度好, 本質(zhì)絕緣, 耐腐蝕, 在

2、0. 34. 0m , 熔點(diǎn)高達(dá)2045, 是一種優(yōu)良的近紅外耐高溫光學(xué)材料, 藍(lán)寶石單晶, 是目前在高溫環(huán)境下最適用的光波導(dǎo)材料之一, 在高溫光纖傳感和近紅外傳能等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景. 本文報(bào)導(dǎo)了藍(lán)寶石單晶光纖高溫傳感器的研制工作. 對(duì)藍(lán)寶石單晶光纖高溫傳感頭的熱輻射特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究, 并在此基礎(chǔ)上研制成雙波長藍(lán)寶石單晶光纖高溫儀.1藍(lán)寶石單晶光纖高溫傳感器結(jié)構(gòu)1. 1藍(lán)寶石單晶光纖材料的制備藍(lán)寶石單晶光纖用激光加熱小基座法(簡稱L H PG 法 生長1. 圖1所示兩束聚焦后的CO 2激光融化藍(lán)寶石單晶源棒的頂部, 將籽晶浸入熔區(qū), 適當(dāng)控制籽晶的拉速和源棒的送速, 就可以生

3、長出藍(lán)寶石單晶光纖. 在穩(wěn)態(tài)生長條件下熔區(qū)的質(zhì)量應(yīng)保持不變, 因此源棒送速與籽晶拉速比可以由等式V s V f =(D f D s 2計(jì)算出來, 式中V s 、V f 分別為源棒送速與籽晶拉速, 相應(yīng)的D s 和D f 分別為源棒直徑和單晶光“863”計(jì)劃(編號(hào):715-02-10-021 和國家自然科學(xué)基金(編號(hào):69407004 資助項(xiàng)目本文于1996年11月收到葉林華:男, 1965年4月生, 講師 圖1L H PG 法生長單晶光纖示意圖纖直徑, 一般速比(V f V s 可以取2. 03. 5, 速比過大不利于光纖穩(wěn)定生長, 例如:一根長度6. 0c m , 直徑1.8mm 的藍(lán)寶石單

4、晶源棒, 可以生長出一根長度達(dá)54c m , 直徑為600m 的藍(lán)寶石光纖. 當(dāng)生長出來的藍(lán)寶石光纖幾何軸與c 光軸重合時(shí), 光纖斷面為近似圓形,反映藍(lán)寶石晶格的六角對(duì)稱性. 圖2所示為某一典型的藍(lán)寶石單晶光纖光譜透過率曲線, 從圖中可看出, 藍(lán)寶石單晶光纖在近紅外波段有良好的透過率, 在可見光區(qū)透過率有所下降, 主要是由于光纖內(nèi)部色心引起的吸收, 藍(lán)寶石單晶光纖在近紅外波段的本征吸收是很小的, 其損耗主要是由于生長過程中光纖內(nèi)部和表面存在的晶體缺陷等引起的散射損耗所致 .圖2藍(lán)寶石光纖透射譜1. 2藍(lán)寶石單晶光纖高溫傳感器圖3為我們采用的雙波長藍(lán)寶石光纖高溫傳感器的結(jié)構(gòu)圖, 在藍(lán)寶石光纖的一

5、端涂覆高發(fā)射率的感溫介質(zhì)薄層并經(jīng)高溫?zé)Y(jié)形成一微型的光纖感溫腔(熱傳感頭 . 當(dāng)熱傳感頭深入到熱源時(shí)光纖感溫腔與周圍環(huán)境迅速達(dá)到熱平衡, 感溫腔輻射的光信號(hào)經(jīng)藍(lán)寶石光纖傳輸, 所用的藍(lán)寶石單晶光纖直徑一般為0. 61. 0mm , 長為1050cm , 因此需要用一根大芯徑石英光纖或光纖束與藍(lán)寶石光纖耦接以傳輸能量, 輻射光信號(hào)經(jīng)透鏡分束通過兩選定的干涉濾光片(中心波長分別為820nm 和940nm , 帶寬為30nm 后由硅光電池探測接收 .圖3藍(lán)寶石光纖高溫傳感器1. 3光電流信號(hào)的放大和處理107第5期葉林華等:藍(lán)寶石光纖高溫傳感技術(shù)研究圖4為硅光電池輸出光電流信號(hào)的放大和處理框圖, 兩

6、路硅光電池輸出的光電流信號(hào)經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換和程控放大送到14位A D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換, 由于感溫腔單色輻射強(qiáng)度隨著溫度的升高按指數(shù)增長, 系統(tǒng)采用兩級(jí)程控放大器其動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到110d B , 8098單片機(jī)根據(jù)檢測到的兩路信號(hào)值經(jīng)過計(jì)算和查表, 得到相應(yīng)的溫度值, 送到L ED 進(jìn)行顯示. 單片機(jī)同時(shí)可以通過R S -232串行口把所測溫度值實(shí)時(shí)送給I B M -PC 機(jī) .圖4藍(lán)寶石光纖高溫儀系統(tǒng)框圖2藍(lán)寶石單晶光纖溫度探頭的熱輻射特性. 腔端部與待測熱源接觸時(shí), , , , 圖5820nm 波段輻射強(qiáng)度隨溫度變化實(shí)驗(yàn)值內(nèi)為-310-4 c m 3, 而光纖芯徑只有數(shù)百微米,所以感溫腔內(nèi)表

7、面每次反射和發(fā)射過程中吸收很小,即對(duì)熱輻射而言腔內(nèi)藍(lán)寶石光纖接近全透明, 因此光纖感溫腔內(nèi)表面的熱輻射相當(dāng)于空腔的熱輻射, 我們合理地把藍(lán)寶石光纖感溫腔看作一等溫圓柱空腔. 對(duì)等溫圓柱空腔的熱輻射特性已經(jīng)有很多人作了研究2. 理論分析與實(shí)驗(yàn)均表明, 腔的長度與直徑之比越大, 腔體的表觀發(fā)射率越接近于1, 但感溫腔過長,反而會(huì)降低傳感器的空間分辨率, 并易使腔體處于非等溫狀態(tài), 一般來說, 當(dāng)腔長與直徑之比大于10時(shí), 其熱輻射就非常接近黑體輻射, 值接近于1, 而且是一個(gè)穩(wěn)定的值, 因此可以把藍(lán)寶石光纖感溫腔看作為一光纖黑體腔. 實(shí)際使用時(shí)考慮到藍(lán)寶石光纖應(yīng)有足夠的強(qiáng)度, 我們選擇用于高溫傳感

8、的藍(lán)寶石光纖的直徑為0. 7mm 左右, 這樣光纖感溫腔的長度應(yīng)大于7mm , 這個(gè)尺寸一般已能滿足實(shí)際應(yīng)用場合對(duì)探頭空間分辨率的要求. 圖5為光纖黑體腔820nm 波段(帶寬為30nm 輻射強(qiáng)度隨溫度變化實(shí)驗(yàn)測定值, 與理論值一致.藍(lán)寶石光纖傳感器的熱響應(yīng)頻率主要由形成光纖黑體腔的介質(zhì)膜層厚度和介質(zhì)材料的熱導(dǎo)率所決定, 介質(zhì)材料可以為耐高溫金屬膜或高溫陶瓷涂層, 厚度一般為幾個(gè)m 幾十個(gè)m , 金屬膜光纖黑體腔熱響應(yīng)快, 但在高溫下易氧化和揮發(fā)導(dǎo)致性能不斷劣化, 且制作成本高207浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 1997年 昂. 高溫陶瓷黑體腔制作方便, 抗氧化性好, 熱響應(yīng)比金屬膜腔稍差, 但已

9、能滿足大多數(shù)測溫場合的要求, 對(duì)一種涂層厚度約為50m 高溫陶瓷黑體腔我們從實(shí)驗(yàn)上作了定性研究, 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示, 一斬波的CO 2激光束聚焦到藍(lán)寶石光纖溫度傳感頭上, 成為周期性的熱信號(hào), 感溫介質(zhì)膜層吸收CO 2激光束能量產(chǎn)生熱輻射, 通過在示波器上觀察傳感頭的熱輻射信號(hào), 可以看出其能否反映熱信號(hào)的周期性變化, 調(diào)節(jié)斬波頻率, 發(fā)現(xiàn)傳感頭能分辨高達(dá)2kH z 頻率的熱信號(hào)變化 .圖6感溫腔頻響測試裝置3T 的區(qū)域時(shí), 其單色輻射光通量為(T =5exp(c 2 T -1(W m (1a 為腔出口進(jìn)入光纖的面積, 為輻射光波長, T 是絕對(duì)溫度, c 1=3. 74183×1

10、0-16(W m 2 為第一輻射常數(shù), c 2=1. 43879×10-2(m K 為第二輻射常數(shù), 設(shè)干涉濾光片的光譜響應(yīng)函數(shù)f (, 硅光電池的光譜響應(yīng)函數(shù)為D ( , 考慮到更一般的情況設(shè)傳感頭的單色發(fā)射率為A ( , 干涉濾光片的中心波長為0, 帶寬為, 輻射光信號(hào)經(jīng)光纖傳入硅光電池后輸出的光電流為I (0, T =0+ 20- 2( f ( D ( A ( (, T d (2式中(反映光信號(hào)傳輸過程中光纖(包括藍(lán)寶石單晶光纖和普通石英粗光纖 的傳輸損耗, 光纖耦合器和其它光學(xué)元件的插入損耗引起的輻射能損失, (<1. 當(dāng)干涉濾光片的帶寬足夠窄時(shí), 我們假設(shè):( =(0

11、 , A ( =A (0 , f ( =f (0 , D ( =D (0 , 將上述式子代入式(2 可得硅光電池的光電流輸出為I (0, T =(0 f (0 D (0 A (0 0+ 20- 2(, T d (3假設(shè)兩干涉濾光片的中心波長分別為01、02, 兩路硅光電池輸出的光電流信號(hào)相應(yīng)為I (01, T 、I (02, T , 則它們的比值為:R (T =I (01, T I (02, T =K dR (T (4 式中K d =(02 f (02 D (02 A (02 (5307第5期葉林華等:藍(lán)寶石光纖高溫傳感技術(shù)研究R (T =01+ 21 5exp(c 2 T -1 d02+ 2

12、02- 21 5exp(c 2 T -1 d(6從式(5 看出K d 是一個(gè)與溫度無關(guān)的常數(shù), 這里忽略了溫度的變化引起的兩個(gè)波段損耗比的改變和表觀發(fā)射率比的改變. 分析表明3, 藍(lán)寶石單晶光纖材料即使在高溫條件下, 其吸收系數(shù)也很低, 高溫自輻射很小, 在這兩個(gè)波長上吸收系數(shù)的比值從室溫到2020的溫度變化小于0. 1, 這個(gè)變化量對(duì)溫度檢測精度的影響遠(yuǎn)小于0. 05. R (T 經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)值積分計(jì)算后得到, 圖7為計(jì)算機(jī)對(duì)式(6 進(jìn)行數(shù)值積分計(jì)算得到的820nm 波段和940nm 波段輻射光信號(hào)比值隨溫度變化的理論曲線, 從圖中可以看出比值隨溫度升高而單值增加, 但增加速度變慢, 我們把

13、各個(gè)溫度T 對(duì)應(yīng)的R (T 值作為一個(gè)表格存放于單片機(jī)系統(tǒng)的ROM 中, 8098單片機(jī)檢測兩路輻射光信號(hào), 得到兩信號(hào)的比值, 通過查表, 就可以得到相應(yīng)的溫度, 其相差的系數(shù)K d 通過定標(biāo)來確定, 由于K d 是一個(gè)與溫度無關(guān)的常數(shù), 因此只需在某單一溫度點(diǎn)下定標(biāo). 圖7R (T -T 理論計(jì)算曲線4實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一個(gè)高溫爐的爐膛中, 校準(zhǔn), , , 在某一溫度, 1000時(shí)對(duì)高溫儀進(jìn)行定標(biāo)以確定系數(shù)K d , 然后讓爐膛溫度從室溫升高, 當(dāng)溫度高于800時(shí)高溫儀穩(wěn)定顯示溫度值, 與鉑銠熱電偶指示溫度一致, 在低溫端由于硅光電池接收到的輻射光信號(hào)很微弱, 受放大器的零漂和A D 轉(zhuǎn)換器的精度影響, 高溫儀顯示的溫度值有所波動(dòng). 表1所示為鉑銠熱電偶所測溫度與高溫儀所測溫度對(duì)照. 由于受高溫爐最高溫度限制, 表中最高溫度為1200. 儀器的最高工作溫度主要受藍(lán)寶石單晶光纖材料在高溫下的穩(wěn)定性限制, 試驗(yàn)表明當(dāng)藍(lán)寶石單晶光纖材料處于溫度