蓝宝石光纤黑体腔高温传感器非线性产生机理及其校正.docVIP

蓝宝石光纤黑体腔高温传感器非线性产生机理及其校正 摘 要　 基于黑体辐射原理的蓝宝石光纤温度传感器，测温范围为800～2000 ℃，响应时间在数量级，可进行恶劣环境下瞬态高温的高精度测量，近年来得到了较广泛的应用。蓝宝石光纤温度传感器的非线性制约和影响传感器的精度和稳定性。为了解决测量中存在的非线性问题，首先分析了蓝宝石光纤温度传感器的测温原理和非线性产生机理；其次结合蓝宝石光纤温度传感器的非线性特性，设计了基于分段线性插值和样条插值的线性化算法，并用Matlab编写了线性化程序以及相关的信号处理程序。实验结果表明，该方法能很好地实现对蓝宝石光纤温度传感器的线性化。 关键词　信号处理；线性化；插值算法；Matlab；蓝宝石光纤； 1 引 言 蓝宝石光纤蓝宝石光纤温度传感器近年来在冶金、炼矿等领域开始用来测量炉内的温度,部分取代了传统的铂铑热电偶测量温度的方法.蓝宝石光纤温度传感器体积小、重量轻、灵敏度高、不受电磁干扰的影响,能够进行无接触测量.但是,受黑体辐射的发射率等因素的影响,光纤温度传感器的非线性误差比较大.因此,在使用时需要对光纤温度传感器进行非线性校正.蓝宝石光纤温度传感器的工作原理蓝宝石光纤高温计是以黑体辐射理论为基础.探头是在耐高温的蓝宝石光纤顶端制作的一个封闭的黑体腔.当黑体腔置于被测炉体中,会发出与温度成一定函数关系的黑体辐射光信号.这样就可以通过光纤把信号送给光电探测器,测量其输出电信号即可计算出待测温度.微处理器可采用89C51,标定后中间插值点之间的温度一般采用软件分段线性拟合.非线性补偿一般采用对数放大电路.. 探头是在耐高温的蓝宝石光纤顶端制作的一个封 闭的黑体腔. 当黑体腔置于被测炉体中 ,会发出与温度成一定函数关系的黑体辐射光信号. 这样就可以通过光纤把信号送给光电探测器 ,测量其输出电信号即可计算出待测温度. 微处理器可采用89C51 ,标定后中间插值点之间的温度一般采用软件分段线性拟合. 非线性补偿一般采用对数放大电路. 蓝 宝石光纤温度测量系统见图 1. 图 1 蓝宝石光纤温度测量系统 黑体腔内置直径1.27 mm 的蓝宝石单芯光纤探头 ,辐射光信号由棒的内面进行全反射来传输. 蓝宝石是氧化铝() 的单晶体 ,其熔点为2050 ℃,是一种机械强度高 、光学透明 、热稳定性好 、化学性质稳定 、在高温环境下适用的光导材料之一。 蓝宝石光纤温度传感器测温系统是根据对传感器的辐射光信号的探测得到被测温度的。根据Planck黑体辐射定律，光纤黑体腔置于温度为T的区域时，其单色辐射通量为 式中a为黑体腔口进入光纤的面积（a＝π/4＝5.03×㎡）， λ为辐射光波长，T是绝对温度，c1＝3.74183×（W·㎡）为第一辐射常数，c2=1.43879×（m·K）为第二辐射常量。单色辐射通量φ（λ，T）与波长λ、温度T的关系可直观地表示成图１。显然，当波长λ一定时，单色辐射通量φ（λ，T）随着温度T单调递增。 设测温系统干涉滤光片的光谱响应函数为f（λ），光电探测器（PＩＮ管）的 光谱响应函数为D（λ），考虑到更一般的情况设传感头的单色发射率为εＡ（λ），干涉滤光片的中心波长为λ0，带宽为Δλ，辐射光信号经光纤传入光探测器后输出的电压为 式中η（λ）反映光信号传输过程中光纤（包括蓝宝石，单晶光纤、锥形光纤和传光光纤）的传输损耗，光纤连接器和其它光学元件的插入损耗引起的辐射能损 失。当干涉滤光片的带宽很窄时，可以假设：η（λ）＝η（λ0），f（λ）＝ f（λ0），D（λ）＝D（λ0），并代入（2）式 可得光电探测器的电压输出为 式中取干涉滤光片的中心波长λ0=830nm，带宽Δλ=10nm，蓝宝石光纤黑体腔高温计测量高温系统是一个温度与电压的关系式，但必须知道系数K的值。K为取决于测试装置的系数，是一个与温度无关的装置常数，只需在一个温度下标定即可（K=11）。如图２所示，显然函数U（T）与自变量T呈非线性关系，是本测量系统中非线性产生的关键环节，也就是本文所要解决的中心问题。 图2 电压与温度关系 3 非线性误差的来源及解决 1) 前置黑体空腔发射率的影响. 黑体腔发射率与黑体腔形状及材料等参数有关. 以测量炉内钢水温度为例 , 有 2 种方法:在接触测量中,直接将探头置于熔融钢水中 . 可通过实验标定 , 对非线性误差响不大. 但是 ,在非接触测量中 , 由于熔融金属不是理想黑体,的不确定性是非线性误主要来源. 这样不仅 要考虑黑体腔的发射率 , 还要考虑钢水的发射率等因素. 此时不再是常数 , 还要随温度变化. 此时实际温度可用下面的公式表示 T 为炉内熔融金属实际温度 , T0 为测得的黑体腔的亮度温度.