蓝宝石光纤黑体腔高温传感器及其测温方法技术

本发明专利技术公开了一种蓝宝石光纤黑体腔高温传感器及其测温方法，适用于高温测量领域。传感器包括蓝宝石光纤黑体腔传感头、传能光纤、光电探测器、前置放大模块、AD采样模块、信号处理模块、显示模块。蓝宝石光纤黑体腔具有接近理想黑体的辐射特性，能将温度场的热辐射能量通过传能光纤传递到光电探测器上转换成电信号，由AD采样模块采集电信号，信号处理模块分析计算采样的数字信号，最后通过数据拟合与标定得出相应的温度与电信号之间的函数关系从而实现温度的测量。本发明专利技术的蓝宝石光纤黑体腔高温传感器系统结构简单、使用方便。

Sapphire Fiber Blackbody Cavity high temperature sensor and temperature measuring method thereof

The invention discloses a sapphire fiber blackbody cavity high temperature sensor and a temperature measuring method thereof. The sensor comprises a sapphire fiber blackbody cavity sensing head, an energy transmitting optical fiber, a photoelectric detector, a preamplifier module, a AD sampling module, a signal processing module and a display module. A sapphire fiber blackbody cavity is close to the ideal blackbody radiation characteristics, the temperature field of thermal radiation energy through the energy transmitting optical fiber transmission is converted to electrical signal by photoelectric detector, AD sampling signal acquisition module, signal processing module, calculation and analysis of digital signal sampling, the function relation between the temperature and the corresponding electrical signal. The data fitting and obtained in order to achieve the temperature measurement. The invention has the advantages of simple structure and convenient use.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光纤温度传感领域，涉及一种可用于连续测量高温的蓝宝石光纤黑体腔传感器，具体涉及传感器辐射测温方法。
技术介绍
辐射测温仪通过非接触测量热辐射的能量来计算相应的温度，因此在工业和科学研究等领域取得了广泛的应用。其具有测温精度高，重复性好等优点，在高温测量中得到普及应用。比如德国赛腾的MS/MI系列红外测温仪，在1500℃到2500℃的范围内的系统精度达到0.5％测量值，重复精度为0.1％测温值+1K，温度分辨率为0.1℃。非接触式的红外测温虽然能有较高的测温上限，但其测量时必须知道热源的发射率情况，易受背景辐射的干扰，测得的仅是热源表面的温度。热电偶传感器通过接触被测物体，测量被测物体的温度。接触式高温测量技术主要使用铂、铑等贵金属热电偶进行测量，具有较高的灵敏度和测量精度。但是高温热电偶一般由贵金属材料制作而成，在高温环境中热电偶又存在抗腐蚀能力差、寿命短、损耗严重等弊端。并且在强腐蚀性、强电磁干扰的环境中，难以正常工作。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供蓝宝石光纤黑体腔高温传感器系统，该传感器是一种能够检测超高温的测量仪器。光纤黑体腔传感器利用蓝宝石光纤耐高温及红外透光特性，与热源接触，可以直接测量热场的变化。采用石英多模光纤将用黑体腔的辐射通量传输至远离热源处，再配合光电元件与电路系统处理显示，避免了高温工作环境及电磁干扰，适合于长期稳定地温度监测。本专利技术的另外一个目的是提供一种利用该光纤黑体腔高温传感器进行温度测量校正的方法。本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种蓝宝石光纤黑体腔高温传感器，包括传感头以及用于处理传感头反馈信号的电路系统，所述的传感头为蓝宝石光纤黑体腔传感头，包括黑体腔、保护套管、蓝宝石光纤、石英光纤，蓝宝石光纤以及黑体腔均置于保护套管中，石英光纤的一端伸入保护套管后，通过光纤接头与蓝宝石光纤的一端连接，蓝宝石光纤的另一端设置黑体腔，石英光纤的另一端则与电路系统连接。所述黑体腔通过在蓝宝石光纤端部所包覆的钼金属薄膜而形成。所述钼金属薄膜外还包覆一层氧化物保护薄膜。所述的光纤接头为分别与蓝宝石光纤、石英光纤相匹配的匹配套管。所述保护套管为刚玉管。所述电路系统为模拟电路，包括集成在电路板上的光电探测器、前置放大器、AD采样模块、信号处理模块、显示模块，其中：所述的光电探测器，用于接受石英光纤传输来的黑体腔热辐射能量，能够将该黑体腔热辐射能量转换成电流信号；所述前置放大器，用于将放大光电探测器输出的电流信号转换成电压信号，并进行放大；所述AD采样模块，用于将前置放大器输出的电压信号转换为数字信号；所述信号处理模块，用于处理AD采样模块输出的电压数字信号，通过拟合算法计算出对应的温度值并通过显示模块输出。所述信号处理模块是基于温度与采样码数的关系式建立：T＝a·x6+b·x5+c·x4+d·x3+e·x2+f·x+g其中T为温度，单位为℃，x为采样码数，a、b、c、d、e、f、g为常数。一种权利要求1所述的蓝宝石光纤黑体腔高温传感器的温度测量方法，包括以下步骤：首先将黑体腔热辐射能量通过石英光纤传输到光电探测器上，此时黑体腔热辐射能量能够通过光电探测器转换成电流信号；电流信号经过前置放大模块的转换以及放大，得到模拟电压信号；模拟电压信号由AD采样模块转换成数字电压信号，经信号处理模块通过拟合算法，即能够计算出对应的温度值，并通过显示模块输出。本专利技术具有以下有益效果：(1)采用在蓝宝石光纤一端制作黑体腔并对接石英光纤的方法制作蓝宝石光纤黑体腔传感头，可以直接插拨，重复性和互换性非常好；黑体腔和蓝宝石光纤外加有刚玉保护套管；(2)采用的传能光纤是纤芯为600μm的特制石英光纤，能量传输损耗极低。光纤外皮里面有一层金属铠，使里面纤芯受到保护，有抗强压抗拉伸功能。利用光纤来传输能量可以减少测温仪的安装与保护的困难，并使测温仪具有挠性和小型化；(3)本专利技术的光电探测器采用标准FC/PC封装的InGaAs光电二极管与传能光纤连接十分方便，光纤的使用可以不受电磁干扰的影响，而使光电探测器远离高温物体，保证了长期在线工作的稳定性；(4)整套系统结构简单、易于操作、携带方便。测量范围为800-2200℃，测量精度为±0.2％，分辨率为1℃，响应速度小于1ms。附图说明图1是本专利技术传感器系统中模拟电路的示意图；图2是本专利技术蓝宝石光纤黑体腔高温传感器系统的结构图；图3是本专利技术测量方法中对信号的软件处理流程图。图中：光电探测器1；前置放大器2；AD采样模块3；信号处理模块4；显示模块5；黑体腔61；匹配套管62；保护套管63；蓝宝石光纤64；石英光纤65。具体实施方式下面结合附图和实施方法，对本专利技术做进一步详细说明。结合图1和图2，本专利技术装置包括蓝宝石光纤黑体腔传感头、电路系统，其中：蓝宝石光纤黑体腔传感头主要由镀有黑体腔的蓝宝石光纤、匹配套管以及石英光纤组成；电路系统为模拟电路，由光电探测器1、前置放大器2、AD采样模块3、信号处理模块4、显示模块5组成，所有模块集成在一块电路板上，传感头与模拟电路的连接是通过传能光纤实现的。本专利技术将光信号经光电探测器实时地转换成电信号，引入模拟电路和辐射测温曲线拟合的方法处理电信号，最后实现测温。结合图1与图2说明利用传感头实现接收辐射能量、测量温度的实施方法。首先把传感头置入热场内，那么热场内的热辐射能量就会促使黑体腔对外辐射能量；能量再通过传能光纤传输到光电探测器上，然后辐射能量由光电探测器1转换成对应的电流信号；电流信号经过前置放大模块2进行I/V转换以及放大，得到的电压信号由AD采样模块3进行高精度地采样；模拟信号转换成数字信号后，经信号处理模块4通过曲线拟合的算法计算出对应的温度值并通过显示模块5输出.结合图3说明传感器中信号处理模块对信号的处理流程。当传感器开始工作之后，信号处理模块4首先初始化AD采样模块3与显示模块5，之后AD采样模块3处于持续采样工作状态，显示模块5输出当前温度值。当传感头进入热场，如果检测到电压信号有变化，AD采样模块3就会把新的采样得到数字信号传给信号处理模块4进行计算，并通过显示模块5输出新的温度值。测温系统能够应用在现场精确测温，就必须经过标定才能正确显示出被测目标的温度。本专利技术采用的基于最小二乘法的多项式曲线拟合法，测量多点温度再通过拟合得到一条温度趋势的曲线。本专利技术标定的方法是采用标准黑体炉替代被测目标，采集不同温度下的电压信号。直接把温度与电压采样码数的关系进行6次多项式曲线拟合，然后得到一个温度与采样码数的公式：T＝a·x6+b·x5+c·x4+d·x3+e·x2+f·x+g，其中T为温度(℃)，x为采样码数，a、b、c、d、e、f、g为常数。把这个公式的算法写入信号处理模块4，这样传感器就可以正常工作。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种蓝宝石光纤黑体腔高温传感器，包括传感头以及用于处理传感头反馈信号的电路系统，特征在于：所述的传感头为蓝宝石光纤黑体腔传感头，包括黑体腔、保护套管、蓝宝石光纤、石英光纤，蓝宝石光纤以及黑体腔均置于保护套管中，石英光纤的一端伸入保护套管后，通过光纤接头与蓝宝石光纤的一端连接，蓝宝石光纤的另一端设置黑体腔，石英光纤的另一端则与电路系统连接。

【技术特征摘要】
1.一种蓝宝石光纤黑体腔高温传感器，包括传感头以及用于处理传感头反馈信号的电路系统，特征在于：所述的传感头为蓝宝石光纤黑体腔传感头，包括黑体腔、保护套管、蓝宝石光纤、石英光纤，蓝宝石光纤以及黑体腔均置于保护套管中，石英光纤的一端伸入保护套管后，通过光纤接头与蓝宝石光纤的一端连接，蓝宝石光纤的另一端设置黑体腔，石英光纤的另一端则与电路系统连接。2.根据权利要求1所述的蓝宝石光纤黑体腔传感头，其特征在于，所述黑体腔通过在蓝宝石光纤端部所包覆的钼金属薄膜而形成。3.根据权利要求2所述的蓝宝石光纤黑体腔传感头，其特征在于，所述钼金属薄膜外还包覆一层氧化物保护薄膜。4.根据权利要求1所述的蓝宝石光纤黑体腔传感头，其特征在于，所述的光纤接头为分别与蓝宝石光纤、石英光纤相匹配的匹配套管。5.根据权利要求1所述的蓝宝石光纤黑体腔传感头，其特征在于，所述保护套管为刚玉管。6.根据权利要求1所述的蓝宝石光纤黑体腔传感头，其特征在于，所述电路系统为模拟电路，包括集成在电路板上的光电探测器、前置放大器、AD采样模块、信号处理模块、显示模块，其中：所述的光电探测器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鸣，郭余庆，王军，郭维，王读根，蒋伟，
申请(专利权)人：江苏能建机电实业集团有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32