用于蓝宝石光纤的光电探测器研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

随着航空航天技术的飞速发展，对高温气流温度测量的要求越来越高，传统的热电偶式温度传感器、燃气分析仪都已不能满足测温要求和使用要求，国内近几年所进行的干烧式高温气流温度传感器的研究，虽然减小了测温偏差，但无法实现校准。我所 十-五”期间研制的基于双屏蔽式温度传感器的现场校准系统，可对高温气流温度传感器进行现场校准，但由于使用贵金属材料，价格相对 昂贵。在国外，美 国NASA近几年主要致力于非接触测温方面的研究用于解决高温燃气的测量。

近年来，随着材料科学和光学技术的发展，光纤温度传感器得到了重视与发展。光纤温度传感器按其工作机理可分为热辐射检测型、荧光测温型、强度吸收型等，其中辐射检测型和荧光测温型的光纤温度传感器已分别应用于高温和中温领域的温度测量 。其中，光纤高温传感器具有精度高、响应快、抗电磁干扰等优点。

蓝宝石光纤温度传感器是-种特殊的光纤高温传感器，与-般的光纤传感器不同，它采用蓝宝石单晶光纤作为温度传感头。由于蓝宝石单晶光纤具有特殊的光学、物理性能，使得光纤传感头能直接放置于被测的高温环境中，因此具有更高的灵敏度、准确性和可靠性。

国内浙江大学的蓝宝石单晶光纤高温计测量范围为800～1700℃，分辨率1℃，准确度0.2%。南京航空航天大学研制的同类传感器测温范围600～1800C，重复性和稳定性都是 ±0.7C。其他-些研究院所将测温上限提高到了 1900～2000C，分辨率也有所提高。但总体来说，这种黑体式蓝宝石单晶光纤高温计还处于研究阶段，并且使用的条件和技术指标仍然是针对静态温度测量，对高温高速和高压的发动机气流条件下的温度测量，依然要有相当的问题需要解决。

本文研制-套基于双波长的比色测温方法的蓝宝石光纤气流高温传感器，用于测量1300～2000K的温度范围，光电探测器作为光转换为电信号的连接元件，其合理选择应用对于此套高温传感器来说至关重要。如果选择的短波段的探测器，根据能量与波长的关系则整套装置各个温度下总能量过小，信号小必然导致其精度低，而选择的长波段的探测器，红外光学系统受杂散辐射也比较严重，并且其内部元件的选择必然会受到波长的限制，例如传输光纤的波段选择、滤光片的波长选择等。同时还希望光电转换出来的电信号能够随着能量的增大规律变化，比值信号容易采集，这样对于后边的数据分析及标定也是有利的。总之，光电探测器既起到了采集蓝宝石光纤在高温气流环境中辐射出的能量信号的作用，同时又起到了提供给后续的数据采集装置电信号的重要作用，因此光电探测器在此过程中就显得非常重要。

1 蓝宝石光纤气流高温传感器测量原理任何物体在-定温度下都会辐射能量，黑体腔发出的辐射称为黑体辐射，根据普朗克公式，黑体辐射的光谱射度可表示为：) 南 ㈩式中： (A， )为黑体光谱辐射出射度，W·cm· m～；A为指定的辐射波长， m；T为黑体的热力学温度 ，K；C 为第-辐射常数，C (3.7415±[收稿日期]2012-08-02[作者简介]金振涛(1987-)，男，陕西汉中人，毕业于哈尔滨工业大学，从事温湿度仪器的研制工作。

. 26. Industrial Measurement 2013MEASUREMENT EQUIPMENT AND APPLICATION 量堇量0.0003)×10 w · m ·em～；c：为第二辐射常数，c2(1.43879±0.00019)X 10 · m ·K。黑体辐射特性曲线如图 1所示。

管寇曩驿图1 普朗克函数在不同温度下按波长的分布图图1是普朗克函数的，在波长400nm-1100nm范围内，对应于800-1800%积分面积是单调的，而积分的面积即为辐出度。普朗克函数是蓝宝石黑体腔辐射测温法以及选取光电探测器的重要依据。

由普朗克定律知，物体辐射亮度L(A)为：(A)二 A- ----- ---- (2)仃exp( C2- )式中：C 为第-辐射常数；c (3.7415±0.0003)×10 W · m ·em～；c2为第 二辐射 常数，c2(1.43879±0.00019)X 10 · m ·K；A为指定的辐射波长。

比色测温是利用物体在两个不同波长下光谱辐射亮度(A)的比值来实现温度测量的。比色法满足下述公式：1 1 lne(A1，T)-ln (A2，T) ， 、。 。 - 式中：c2为第二辐射常数，c (1.43879±0.00019)×10 ·txm ·K；A。，A2为比色测温所用的中心波长；(A ，T)，8(A：，T)为温度 的实际物体在波长A 及A：下的单色发射率。如果 占(A：，T) (A。，T)，则物体的颜色温度就等于真实温度。如钢铁材料可视为灰体，测定的颜色即为物体的真实温度。对于其它材料，单色发射率随波长及温度变化，但如果 A。、A：选择比较靠近，并且A 、A 是在 (A，T)-A曲线平坦的区域，也可达到较高的测量精度。

蓝宝石光纤高温气流测量基本框图如图2所示，工业计量 2013年第 23卷第 1期将蓝宝石光纤-端镀膜制成黑体空腔置入被测高温气流中，与被测气流达到温度平衡后，通过耦合器将辐射信号耦合到传输光纤中，然后应用光电探测器进行光电转换，最终用单片机处理信号并显示。

图2 蓝宝石光纤气流高温传感器系统图对于蓝宝石光纤黑体腔的制作，可以在蓝宝石光纤的-端涂覆高发射率的感温介质陶瓷薄层，并经高温烧结形成微型光纤感温腔，并且为防止金属在高温下挥发，在腔外壁-般再蒸镀-层氧化铝保护膜 J。

2 蓝宝石光纤比色测温具体实施方案通常高温气流环境复杂，蓝宝石黑体腔在此环境中测温容易受到发射率的影响，根据上文分析，为了减小发射率的影响，本课题计划应用比色测温的方法。同时根据前期的蓝宝石光纤在不同温度下的光谱特性研究 ，蓝宝石光纤光谱响应曲线在 0.8～1.6 m波长范围内均较为平坦，适合测量，同时还应避开1.41xm的吸水峰。满足此波段光谱特性要求探测器有Ge探测器、Si探测器以及 InGaAs探测器，下边我们就这几种探测器性能设计测量方案。

2.1 测试装置我们使用的是热电偶检定炉，炉体长约 600mm，口径约 15mm，温度 下限是 1100℃，温度上 限是1500C，20mm的均匀温场，均匀温场内的误差范围是 ±l℃。用于控温的是工业级 B型热电偶，该偶检定时的扩展不确定度为 3.8℃。针对以上的探测器，分别进行三个项 目的测试：(1)应用锗探测器进行光电转换。使用热电偶检定炉提供温场，蓝宝石光纤-端为黑体空腔，将其放人检定炉的恒温区，蓝宝石光纤热平衡后传递的能量耦合进入传输光纤，传输光纤再经过耦合器与准直器耦合，光能量经过半反半透镜进行分光，分出的光经两个滤光片转换为不同波长的光，Ge探测器进行光电转换，数表测量输出的电压信号。根据前期的实验和分析，滤波片的波长选择 1.55Im和 1.51xm。图 3为测试项目-系统原理方框图。

(2)应用双 si探测器和双 InGaAs探测器进行光电转换。双色si探测器专门针对比色测温法而设计，其对应的峰值波长分别是900nrn和 950nm。其测量方法同Ge探测器的前半部分相同，使用热电偶检定炉提供温场，蓝宝石光纤的黑体空腔部分放入检定炉的. 27 。

塑 旦- - - 三图3 测试项 目-系统原理方框图恒温区，能量耦合进入传输光纤，不同的是没有了分光装置和滤光片，传输光纤传出光后直接耦合到了双色探测器，输出双路电压信号。图4为测试项目二和项目三系统原理方框图，其中探测器分别为用双 si探测器和双 InGaAs探测器。

图4 测试项 目二和项 目三系统原理方框图2.2 测试方案将热 电偶 检定 炉 设 定 在 l100℃，1200℃ 和1300C，1400℃，1500℃共 5个点，每个点的温度波动范围由计算机进行控制并且稳定在0.2cC内。然后分别测量以上三个测试项 目的光电探测器的输出响应。每个温度下测量4次，考察稳定性的同时取其均值进行数据处理。

为了考察蓝宝石光纤测温的信号趋势及稳定性，我们还测试了不同长度的蓝宝石光纤，暂记为2 和6光纤。

3 测试分析与数据处理 J针对以上三个项目做了测试，我们在检定炉中以不同温度点做了测试，下边将处理后的数据结果--进行分析。

3.1 Ge探测器测试项 目-的 Ge探测器，使用的集成前放的Ge。测试分别使用了较长的2 蓝宝石光纤和较短的6蓝宝石光纤，其从分光棱镜中分出的透射信号和反射信号测量在经过带集成前置放大的Ge探测器，数表采集的电压结果如图5、图6所示。

从图5、图6中我们可以发现以下3点：(1)从图6中我们发现，随着温度的上升，蓝宝石光纤的透射信号和反射信号都在不断上升，信号值上升的均匀平稳，这与之前预测的也-致，用2次曲线拟合能达到较高的拟合度。

(2)较短的6 光纤输出值大于较长的2 光纤值，· 28 ·图5 Go探测器测量的透射信号与反射信号的原始值图1O0o 1100 1200 1300 1400 l500 1600 17oo 1800温度 ℃图6 Go探测器测量的透射信号与反射信号的比值图但两只光纤的变化趋势几近-致，说明蓝宝石光纤测量是稳定的。两支光纤在 1100oC和 1200oC时反射信号和透射信号值基本相同，但1200oc以上时反射信号比起透射信号稍稍大些，变化也基本-致。

(3)从图5我们发现两者信号的比值散乱的排列在 1.1和 1.4之间，没有什么规律。

3.2 双 lnGaAs探测器测试项目二用的是集成前置放大的双 InGaAs探测器，InGaAs探测器其中包含两层光敏面，上层和下层。分析其光谱响应曲线，发现其特点是响应敏感，顶层的感光响应波段宽 1～1.8 m，同时在波段 1.1～1.7 m时响应值稳定平滑。测试对蓝宝石光纤及探测器按既定方案连接，刚开始我们直接连接时发现在1200℃以后，上层和下层信号已经饱和，为此我们外接电阻降低了放大倍数，测试效果如图7、图8所示。

从图7、图8中我们可以发现以下3点：(1)从图7中我们发现，随着温度的上升，双色探测器的上层信号和下层信号都在不断上升，信号值上升的均匀平稳，测量的最小信号与最大信号跨度比Industrial Measurement 2013 Vo1.23 No.1MEASUREMENT EQUIPMENT AND APPLICATION 量矍堕温度tFC图7 双 InGaAs探测器上层和下层信号记录原始值图趔1000 1lOO 120o 1300 1400 1500 l600 1700 l800温度 ℃图8 双 InGaAs探测器上层信号与下层信号的比值图较大。用 2次多项式拟合达到了较高的拟合度。

(2)相对于Ge探测器，双 InGaAs探测器测得的能量值更大，即使用了衰减 1/10阻值测量值依然很大。

(3)图8是两路信号的比值，比值用2次多项式拟合有-定规律，但不是很明显。

3.3 双 Si探测器测试项目三用的是集成前置放大的双 Si探测器，双si探测器也包含两层光敏面，上层和下层。分析其光谱响应曲线，其响应曲线类似抛物线，响应敏感的峰值波长为底层为0.91xm，顶层为0.95 m，测试对蓝宝石光纤及探测器仍按既定方案连接，刚开始仍然发现了当温度值达到 1400%后，上层信号也已经饱和，为此我们依然外接电阻降低放大倍数，测试效果如图9、图 10所示。

从图9、图10中我们可以发现以下3点：工业计量 2013年第 23卷第 1期温度tFc图9 双 Si探测器上层和下层信号记录原始值图7j四丑6lO5O l150 1250 l350 145o l550温度 ℃图1 O 双 Si探测器上层信号与下层信号的比值图(1)从图9中我们发现，随着温度的上升，si探测器的上层信号和下层信号也都在不断上升，信号值上升的均匀平稳 ，2 蓝宝石光纤和6 蓝宝石光纤上升趋势基本-致，用 2次多项式拟合达到了较高的拟合度。

(2)相对于 Ge探测器和双 InGaAs探测器，Si测得的电压值显得更加平稳，跨度适中，增长的也较为均匀。

(3)从图 10的比值信号中我们发现，2 光纤和6 光纤的电压比值用直线拟合后发现其线性度非常高，非常适合对蓝宝石光纤进行标定。

4 结论蓝宝石光纤气流高温传感器具有测温范围广、温(下转第71页)· 29 ·3 5 2 5 1 5 O 2 l O J 螋 睡8 7 6 5 4 3 2 1 O之伞FORUM OF METROLOGICAL WORKERS 计量工作者论 亘上l1杏 -适用的、安全可靠的。

(4)功能定位二的优点当用户离出站口距离较近，有时因检修原因停止用气且关总阀较快而工作、监控两调压阀并无故障时，产生的脉冲压力可被安全放散阀泄压释放，自动恢复正常状态，避免人工现场复位，有利于无人值守站的管理，减少了大量的现场复位工作。

(5)功能定位二的缺点泄放脉冲压力的天然气要放空，浪费了宝贵的天然气。

4 结论安全阀功能的二种定位各有利弊，安全阀开启压力的设置须根据用户需求和现场状况来定，不能-概而论。

建议当用户用气流量较大且侧重于经济效益而不愿意轻易放空 (如大电厂用户)，同时分输站为有人值守、维检修方便时，可按功能-设置；当用户使用流量不大且分输站为无人值守、维修人员去现场不便时，安全阀开启压力按功能二设置较合理且实用。