高温光纤传感器应用分析

赵亚丽

（承德石油高等专科学校，河北　承德　067000）

高温光纤传感器应用分析

赵亚丽

（承德石油高等专科学校，河北承德067000）

高温光纤传感器在现代各个领域中应用广泛，解决了传统光纤传感器在高温下无法稳定工作的问题。文章对高温光纤传感器的工作原理进行了简述，介绍了其完成热结构温度和应变测试的运行机理，分别介绍了以高温光纤传感器检测飞机进气口温度和排除过山车安全隐患的应用实例，说明了其性能上的优势。

高温光纤传感器；进气口温度；航空航天

在航空航天、石油石化行业等恶劣环境的条件下，传统的电传感器易受电磁干扰和周围环境影响，已经无法满足测量需求。随着技术的发展光纤传感器以其小巧，高精度及抗电磁干扰等优点，成为高新技术产业的宠儿。而光纤传感器很多时候需要在高温条件下工作，高温光纤传感器在这种条件下应运而生，但其作为新兴产品人们对其了解甚少，所以对高温光纤传感器在实际应用中的测试研究意义重大。

1　高温光纤传感器概述

普通的光纤传感器，在250℃时会发生光波反射的衰减，使用条件大大受限，而在实际应用中很多时候都需要进行高温条件下的物理量测定，所以人们开始了高温光纤传感器的研究。目前国内外提出的光纤高温传感器主要包括耐高温材料光纤高温传感器、分布式光纤高温传感器、高温布拉格光纤光栅传感器、高温F-P腔传感器等不同形式的高温光纤传感器。如2003年英国的研究学者用980nm激光泵浦掺Er 的Sn-Ge-Si光纤，利用温度与荧光峰值功率比率的关系和光纤光栅的双重性功能，研制出了一种可以用来同时测量应变和大范围变化的高温光纤传感器。国内的廖楚柯等人根据黑体辐射原理，采用黑体腔、光纤传感探头研制成的辐射型光纤高温传感器，具有抗氧化、抗电磁干扰、耐腐蚀、可远距离传输、价格低廉等优点。现在常用的测温高温光纤传感器主要是这种黑体辐射式传感器，应变测试传感器则多用高温法珀应变传感器和光纤Bragg光栅高温传感器。其中黑体辐射式传感器的原理是黑体辐射定律，物质受热时会发出一定的热辐射，辐射量的大小与该物质的温度和材料的辐射系数有关。当温度为230℃时，理想黑体开始出现暗红色辐射，亮度随着温度的增加而增强。由于物体的热辐射随温度的升高呈近指数型增长，辐射型光纤温度传感器在高温下具有很高的灵敏度。

2　高温光纤传感器温度和应变测试的理论基础

2.1高温光纤对温度的检测机理

用于高温测量的黑体辐射式光纤传感器主要由高温蓝宝石光纤、传送待测黑体辐射功率的低温光纤以及数据处理与显示系统组成。其中黑体腔安装在高温光纤顶端，是整个传感器的信号源。当黑体腔与待测高温区热平衡时，黑体腔就按照普朗克黑体辐射定律发射与待测温度T相对应的电磁辐射，进入光纤的光通量为：

式中a为蓝宝石高温光纤截面积，λ为辐射光波长，T是绝对温度,为第一辐射常数，为第二辐射常数。当波长λ一定时，Φ（λ，T）随着温度T单调递增，通过检测光通量便可检测出温度T了。

2.2高温光纤在应变测试中的应变传感机理

3　高温光纤传感器在热结构温度测试中的应用

3.1高温光纤传感器在热结构测试中的应用实例概况

飞机发动机的工作温度最高可达1000℃以上，传统的测温方式是使用热电偶测温，需要的器件复杂而且动态误差较大，所以现在准备用高温光纤传感器测试飞机发动机的温度。传感器类型是热辐射光纤温度传感器，其利用光纤内产生的热辐射对温度显现传感，以热点的黑体辐射作为基础，光纤本身就是一种待测温度的黑体腔，可以确定光纤上任意点的温度，无须任何光源。

3.2实际测温流程和条件

用高温光纤传感器测飞机发动机进气口温度的典型应用如图1所示。

图1　用高温光纤传感器测飞机发动机进气口温度的典型应用

光纤探头对热结构温度进行感知然后经光纤传输到光学处理单元，扫描区收集光信号送中央处理器分析结果。实验测得温度与标准温度如表1所示。

表1　标准温度与实测温度数据

由表1数据可得，试验系统测温误差均在±1℃以内， 最大相对误差为0.7%，测量精度满足设备测温要求实际测量。但是石英光纤存在2μm以上光辉衰减的特点。所以，这种高温光纤传感器最低只能达500℃，不适于一般低温热结构测温，高于1000℃时，要为传感器加一个冷却附件。

应用总结：高温光纤测飞机发动机进气口温度可实现远距离测量、实时数据精确且安装便利，但该应用中，这种热辐射光纤温度传感器不能测出500℃以下的热结构温度。

3.3高温光纤传感器应变测试中的应用

3.1.1高温光纤传感器在应变测试中的应用实例概况

通过高温光纤传感器对以木质过山车进行应变检测以验证其安全性，过山车运行期间不能停止，传感器上的载荷为动载荷。过山车的主要支撑结构为混凝土现浇结构，以地梁和木质柱头承重，先发现地梁存在裂缝，为安全隐患，运用高温光纤传感器对其进行应力测定，确定过山车是否需要改造。

设备安装时传感器两端的基座胶接在待测构件上，将高温光纤芯体传入传感器内，绷紧在上下基座之间，拧紧螺母，待传感器解调器读数达到预张读数之后，进行测量。

3.1.2数据采集与分析

解调仪采用100Hz，10ms保存一个波长数据，图2是过山车第一次经过某一特定支座的应变测量结果。图3是过山车第二次经过这根特定支座时的测量结果。

图2　过山车第一次经过特定支座时的测量结果

图3　过山车第二次经过特定支座时的测量结果

由图2和图3可以看到，高温光纤传感器对过山车的动载荷测量效果很好，5分钟之内的测试结果非常吻合，说明传感器工作正常。照此操作一直进行下去，对过山车支座进行一一检测，便能通过高温光纤传感器的应变检测，找出不符合技术规范的支座，使过山车的安全隐患问题得到排除。

应用总结：通过以上这个高温光纤传感器应变检测的实例，可以看出高温光纤传感器安全极其简单，可以大幅缩小应变检测的准备时间，工程实用性高；高温光纤传感可以用于检测器无法作静态分析的应变产生过程，两次数据基本吻合，证明高温光纤传感器有非常高的检测精度，工作过程稳定可靠。

4　结语

高温光纤传感器在我国还属于新兴产品，其研究还处于起步阶段，是光纤技术、光通信技术、光电子技术综合的产物，以其耐高温、耐腐蚀、适用面广、灵敏性高、测量精确，测量物理量多等一系列其他传感器无可比拟的优点，必将在能源勘探、军事民用设施建设、生物医学、航空航天等多领域得到更大的发展。对于高温光纤传感器结构温度场合应变测量方面的研究和探索，将为国家整个高科水平带来巨大的提升，因而需要广大的相关工作者在这方面继续努力。

［1］孟松鹤，杜翀，解维华.高温光纤传感器在热结构温度和应变测试中的应用（英文版）［J］.固体火箭技术，2013（5）：701-705.

［2］徐刚.基于光纤传感的机械设备动态监测关键技术研究与应用［D］.武汉：武汉理工大学，2013.

［3］周之.基于光纤光栅传感器的高超声速飞行器结构损伤诊断技术研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2013.

Analysis on application of high temperature fiber sensor

Zhao Yali
（Chengde Petroleum College， Chengde 067000， China）

High temperature optical fiber sensor is widely used in various fields of modern， which solved the problem that traditional o ptical fiber sensor can not work stably in high temperature. In this paper， the working principle of high temperature optical fiber sensor is briefly described， temperature and operating mechanism of whose completing the thermal structure and strain testing are introduced. And a case that high temperature optical fiber sensor measured plane air inlet temperature and a case that it eliminated the hidden dangers of roller coaster are separately taken to show its performance advantages.

high temperature optical fiber sensor； air inlet temperature； aviation and aerospace

赵亚丽（1982— ），女，河北保定，硕士，讲师；研究方向：光纤传感技术及实训教学改革。