高温蓝宝石光纤温度传感器校准测试系统研究

阎 涛，赵 靖，袁玉华，王志浩

（1.航天科技集团公司四十四所 陕西 西安 710065；2.航天科技集团公司四〇一所 陕西 西安 710025）

在温度测量应用中，经常会遇到高温含氧、易燃易爆、强电磁干扰等恶劣的工作环境，此时传统的测温技术如热敏电阻、热电偶、温敏二极管等难以满足实际的使用需要，因此光纤温度传感器凭借其极高的灵敏度和精度、固有的安全性、良好的抗电磁场干扰能力、高绝缘强度以及耐腐蚀、重量轻、体积小、宽频带等优点取得了越来越广泛的应用。其中蓝宝石光纤温度传感器更是以其较高的温度测量上限、出色的测量精度和动态响应，以及接触式测温直接准确的特点，在一些特殊的高温测量领域中发挥着越来越重大的作用[1]。

高温蓝宝石光纤温度传感器是一种基于黑体辐射原理的接触式稳态温度传感器，它是在传统的蓝宝石光纤温度传感器测量结构的基础之上[2]，通过设置独立的感温帽结构、使用低热导率的陶瓷保护套管进行隔热保护以及合理设计蓝宝石光纤的安装位置等措施，使该类传感器的温度测量上限从1 900℃提高到了2 400℃以上，从而为其研究和应用的发展开辟了更为广阔的空间。为了模拟传感器的实际安装测量方式，本文设计研究了一种适用于高温传感器的标定和测试系统，通过氧乙炔高温综合测试平台和上位机测试应用软件的结合，为传感器试验提供了一个稳定、可靠、安全、便捷的平台。

1 传感器测温原理

1.1 温度测量原理

高温蓝宝石光纤温度传感器主要由传感器探头、传输光路及后端的信号处理显示部分组成。根据黑体辐射理论，任何物体当温度高于绝对零度时都会以电磁波的形式向外辐射能量，而且该辐射量与温度呈近似的指数关系[3]。高温传感器就是通过探头前端的感温帽来感受被测温度场并产生热辐射，辐射光被蓝宝石光纤接收后经透镜结构耦合到石英光纤中，传输到后端的信号处理模块中进行窄带滤光、光电转换、信号调理、AD采样和数字信号处理，最后传递到上位机中进行显示和存储。

图1 高温传感器系统结构Fig.1 System structure of ultrahigh temperature sensor

对高温传感器而言，感温辐射腔在测量过程中并不处于等温状态，因此并不能等效为黑体辐射腔，Plank黑体辐射公式也并不适用。在试验过程中发现，使用Plank公式进行温度解调的误差在120℃以上，无法满足传感器的使用要求，为此在对试验数据分析研究的基础上对Plank公式进行了补偿修正，其算法公式为：

式中 Tp是 Plank 公式的计算温度，V（λ0，T）为传感器的输出电压，A1、A2、A3是补偿修正系数，T是补偿修正后的结果。其中

式中C1和C2分别是第一与第二辐射系数，其中η（λ）为光信号传输过程中的各种损耗，f（λ）为干涉滤光片的光谱响应函数，D（λ）为光电探测器的光谱响应函数，εA（λ0）为辐射腔的单色发射率，λ0为窄带滤光片的中心波长，Δλ为滤光片的半波带宽。

1.2 多温度点的标定原理

高温传感器的标定是为了实现温度解调计算公式中未知参数的求取。式中的数值理论上可以由公式（3）直接计算得到，但由于实际系统的复杂性及各种因素的影响，该参数通常难以精确计算，但在整个测温范围内受温度的影响不大，因此在传感器系统确定的情况下可以将其看作是一个常数，通过试验标定来得到。另外，补偿修正系数A1、A2、A3也需要根据标定数据进行最小二乘拟合来得到。

在标定过程中需要首先求取参数B（λ0），根据Plank公式有：

之后根据公式 （1）采用最小二乘拟合的方法计算系数A1、A2、A3。因此标定过程至少需要三组传感器输出电压-辐射测温仪温度示值的对应数据，并且数据个数越多，在整个测量范围内的整体平均误差就越小。

2 标定测试系统

2.1 氧乙炔高温综合测试平台

氧乙炔高温综合测试平台是为了满足传感器的标定和测试需求而设计的，该平台使用氧乙炔火焰作为试验的热源，通过阀门分别对氧气和乙炔两种气体的压力和流量进行控制，并由压力变送器和质量流量计对其进行实时测量并在计算机上进行显示；两种气体在喷枪口外混合并燃烧，喷枪的位置通过三维手动调节机构进行调整，从而改变火焰的烧蚀位置和烧蚀深度，以使传感器的感温探头处于不同的温度场中；传感器探头安装在夹持固定平台上，并由循环水冷却系统对其安装部分进行隔热降温。

在标定和测试过程中，使用IRCON公司的Modline 5R-3015型红外测温仪作为参考温度基准，其温度测量范围是 1000～3000℃，测量误差在 0.5%以内，而对于 1000℃以下的温度测量使用热电偶进行，通过两者数据的交叉融合为传感器提供整个量程范围内的温度基准。测温仪固定在二维转动云台上，通过调节水平和竖直角度来实现测量焦点的灵活选择。

图2 氧乙炔高温综合测试台外观Fig.2 Appearance of the high-temperature comprehensive testing platform of oxyacetylene

图3 氧乙炔高温综合测试台的基本结构Fig.3 Basic structure of the high-temperature comprehensive testing platform of oxyacetylene

2.2 上位机测试应用软件

为满足高温传感器试验过程中的标定和测试需要，本文使用图形化编程语言LabVIEW编写了上位机测试应用软件[4]。该软件主要用于将传感器的温度计算结果与辐射测温仪和热电偶提供的温度基准进行对比显示及存储，并实现传感器多温度点下的标定功能。

在多温度点标定计算中，除包含了加减乘除等基本运算外，还需要基于最小二乘法的曲线拟合运算，该算法的编写相对复杂，但可以在LabVIEW软件中使用MATLAB脚本节点调用lsqcurvefit函数从而非常方便地实现。使用MATLAB脚本节点实现标定参数计算的子程序如图4所示。

图4 基于MATLAB脚本节点的标定参数计算程序Fig.4 Calculation program of calibration parameters based on MATLAB script

3 传感器的标定及测试

3.1 多温度标定过程

在进行传感器标定和测试试验之前，需要将传感器探头固定在夹持固定平台上，调整辐射测温仪的焦点位置，使其对准探头前端并且两者之间的距离约为120 mm；运行上位机软件，设置好滤光片波长等参数并与传感器和辐射测温仪分别建立通讯；在冷却系统中通入循环水，点燃氧乙炔火焰并将两种气体的流量分别调整到最佳数值，通过移动喷枪位置就可使探头处于不同的温度中。

由多温度点的标定原理可知，标定过程需要在至少三个温度下进行，待传感器输出稳定后将传感器输出电压-辐射测温仪温度示值对应数据存入标定数组中，当存入三组以上的数据后就可以点击“完成标定”来计算参数值。在标定过程中，由于传感器探头存在一定的热响应时间，因此必须等辐射测温仪示值和传感器输出都达到稳定后才能进行标定数据的存储，否则会使传感器的标定误差过大，甚至造成标定参数计算错误，影响传感器的实际应用。

标定过程中的数据曲线如图5所示，其中下方曲线为传感器的计算温度，上方曲线为辐射测温仪的测量温度。从图中可以看到，传感器分别在1 100、1 504和2 070℃3个温度下进行了标定，并且是在传感器输出和辐射测温仪示值都基本稳定后进行，完成标定后两条曲线立刻接近重合。

3.2 测试结果

由于在实际使用中，探头后端是埋入在复合材料壳体中，只依靠前端的感温帽感受外表面的环境温度，为模拟真实的测温方式，在试验过程中只使用氧乙炔火焰加热感温帽部分，并通过循环水冷却结构对探头的安装部分进行隔热降温。对完成标定的传感器进行高温测试的结果曲线如图6所示。

在整个试验过程中，稳态下的测量数据及其对应的最大误差如表1所示。

图5 高温传感器的标定曲线Fig.5 Calibration curve of the ultrahigh temperature sensor

图6 高温传感器的试验曲线Fig.6 Testing curve of the ultrahigh temperature sensor

表1 传感器稳态试验结果（℃）Tab.1 Steady-state testing result of the sensor（℃）

从表中可以看出，传感器的稳态测量误差在1 900℃以上时相对较大，最大值超过了20℃，这主要是传感器探头的表面氧化造成的。在试验过程中，通过改变氧乙炔火焰的烧蚀深度来调节传感器探头所处的温度场，因此要为传感器提供非常高的温度，就必须使探头处于氧乙炔火焰的内焰位置，此时探头材料会在高温条件下被火焰中未反应的氧气氧化，如此恶劣的环境也使得较难被氧化的陶瓷材料的表面都形成了一层白色的氧化物膜层[5]，并对测量结果产生了一定程度的影响。

4 结 论

文中通过对高温蓝宝石光纤温度传感器的测量结构和标定原理进行分析，设计了一套基于氧乙炔高温综合测试平台和上位机测试应用软件的标定测试系统，实现了高温传感器在多温度下的标定以及模拟真实测温方式的测试试验。试验结果表明，该系统能够提供长时间稳定的高温热源，可方便地调节温度；试验过程中传感器安装固定部分始终处于冷却状态，可随时进行拆装并开始新试验；标定和测试中双比色辐射测温仪能够削弱光线传输路径上损耗的影响，提供的温度基准准确可靠。尽管氧乙炔火焰使得感温帽更易发生氧化，但该系统能够满足传感器的多点标定和测试试验需要，具有较好的可靠性和稳定性。

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[3]刘玉莎.基于黑体空腔的光纤高温测试系统的研究[D].北京：燕山大学，2008.

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[5]尹衍升，陈守刚，李嘉.先进结构陶瓷及其复合材料[M].北京:化学工业出版社，2006.

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