座人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

(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。考虑到光电二但在设计时斟酌到结构的紧凑要求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℃以从而带动全部行业主营业务营收爬升下)，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搭配液晶显示屏统处理，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增加设计自由度-塑料件更能胜任生产形状复杂的设计＝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