光纤温度传感器在热加工生产中的应用0波动开关

光纤温度传感器在热加工生产中的应用

光纤温度传感器在热加工生产中的应用 2011年12月09日 来源： 　　(1．西安科技大学基础部，陕西西安710054；2．陕西理工学院机电系，陕西汉中723003)　 　　光纤高温传感器可以大范围的测定热加工过程的温度，测温范围从室温到1800℃，在800℃以上，灵敏度优于1℃，在1000℃以上，可分辨温度优于0．1℃，具有高温优越性。而且响应快、抗电磁干扰、工作温区大、操作方便、可实现多点测量。对于铸造、热处理的工艺和质量控制具有积极的意义。 　　1　理论基础 　　光纤温度传感器系统包括端部掺杂质的高温蓝宝石单晶光纤探头、Y型石英光纤传导束、超高亮发光二极管(LED)及驱动电路、光电探测器、荧光信号处理系统和辐射信号处理系统。如图1所示。 　　在高温区(400℃以上)，光纤温度传感器基于光纤被加热要引起热辐射的原理工作。热辐射效应光强调制型光纤温度传感器属于被动式光强调制，它不需要外加光源，而直接由蓝宝石光纤制成的黑体腔收集热辐射，然后通过传输光纤送到光电二极管探测并进行数据处理。热辐射的强度和波长是温度的函数。采用带黑体腔的高温单晶蓝宝石(α－Al2O3)光纤(其熔点温度为2050℃)，当黑体腔与待测温度区热平衡时，黑体腔就按照黑体辐射定理发射与待测温度T相对应的电磁辐射，其谱功率密度出射率可以用Plank公式表示为　　其中ελ为黑体腔的谱发射率；C1＝3．74×108 W·μm4/m2为第一辐射常数；C2＝1．44×102μm·K为第二辐射常数；λ为光谱辐射波长；T为黑体辐射温度。这一功率经高温光纤直接耦合进入低温光纤，然后射入光电二极管光敏面。考虑到光电二极管光敏面的光谱响应为0．4～1．1μm，同时为了使黑体腔的发射率稳定，控制黑体腔的长径比大于3，于是黑体腔谱发射率ελ≈ 1，入射到光电二极管光敏面的黑体总辐射能量为 　　其中n1、n2分别表示高温光纤与低温光纤、低温光纤与光电二极管光敏面之间的功率耦合效率；S、l′、α分别表示高温光纤截面积、长度、损耗系数。 　　在低温区(400℃以下)，辐射信号较弱，系统开启发光二极管(LED)，使荧光测试系统工作，发光二极管发射调制的激励光，经聚光镜耦合到Y型光纤的分支端，由Y型光纤并通过光纤耦合器到蓝宝石光纤探头。光纤探头端部受激励光激励而发射荧光，信号由蓝宝石光纤导出，并通过光纤耦合器从Y型光纤的另一分支端射出，由光电探测器接受。光电探测器输出的光信号经放大后由荧光信号处理系统处理，计算出荧光寿命得到所测温度值。 　　2　信号处理 　　光电二极管感应的光辐射信号经过光电转换、信号放大、线性化处理、A/D转换、微机处理后给出待测温度。为了实现多点测量，加入多路开关，通过微机控制，选择所测点。如图2所示。 　　由于光纤给出的输出光强是非线性的指数信号，这种非线性关系，在温度数字化测量中，加进线性化装置进行线性补偿。这里选用模拟线性化，采用折线逼近方案，即用连续有限折线代替曲线的直线化方式。其特点是技术简单，精度取决于折线段的多少。 　　3　测试方法 　　3．1　熔炼过程中的探头设置 　　在熔炼过程中，金属液体始终处于流动状态；可以认为在这个温度场中，金属液体各处的温度基本一致。将探头放置于溶液表面下10cm左右处，通过热辐射测出溶液温度。 　　3．2　在热处理加热炉系统中的探头设置 　　在加热炉中，被处理的工件与炉壁进行热交换。辐射换热量表示为 　　ε1、ε2分别为工件和炉壁的黑度，φ21为角系数。当热平衡时候，T1＝T2，Q12＝0。两者之间没有了热交换，这时候就可以测出工件的温度。将探头安置于炉壁，外接光纤测出工件的加热温度。 　　3．3　凝固过程中的温度测量 　　铸件在凝固过程中，它的内温度场为不稳定温度场。在铸件截面上某一点，不同时刻，温度是不同的；在同一瞬间，铸件截面上各点的温度也不同。其温度场是坐标(x，y，z)和时间t的函数　　 　　 T＝(x，y，z，t) 　　为了测出铸件在凝固过程的温度场，研究温度场和等温面的变化，进一步进行仿真模拟，提高产品质量和成品率，有必要对凝固过程进行多点测量。光纤温度传感器能够快速响应

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