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1、蓝宝石光纤温度传感器的非线性误差分析与校正柳长源(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150040)摘要:近年来光纤辐射温度传感器得到了较广泛的应用,这种方法基于黑体辐射原理.为了解决测量中存在非线性误差问题,分析了光纤黑体辐射温度传感器的原理和非线性误差的来源,给出了测量电路的组成,并利用标准铂-铑热电偶进行温度校正.校正后的测量结果能够满足实际测量需要.关键词:光纤;黑体辐射;非线性误差中图分类号:TH811.2文献标识码:ANonlinearerroranalysisandcalibrationofsapphireopticalfibertemp
2、eraturesensorLIUChang2yuan(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150040,China)Abstract:Inrecentyearstheradiationtemperaturesensorofopticalfiberhasgottenmoreextensiveapplication,whichisbasedontheradiationprincipleofblackbody.Inorderto
3、solvenonlinearerrorsinmeasurement,theprin2cipleoftheblackbodyradiationtemperaturesensorofopticalfiberandnonlinearerrorsourceareanalysed.Thecompositionofmeasurementcircuitisgiven,andtemperaturecalibrationhadiscarriedoutwithstandardPlatinum2Rhodiumthermocouple.Calibratedresultsofmeasur
4、ementcanmeetthedemandsofactualmeasurement.Keywords:opticalfiber;blackbodyradiation;nonlinearerror蓝宝石光纤温度传感器近年来在冶金、炼矿等领域开始用来测量炉内的温度,部分取代了传统的铂铑热电偶测量温度的方法.中国武汉钢铁公司已于2000年率先在炼钢中采用光纤温度检测技术,用来取代消耗式快速微型热电偶,由于不需消耗贵重金属,因此节约了测量成本.蓝宝石光纤温度传感器体积小、重量轻、灵敏度高、不受电磁干扰的影响,能够进行无接触测量.但是,受黑体辐射的发射率等因素的影响,光纤
5、温度传感器的非线性误差比较大.因此,在使用时需要对光纤温度传感器进行非线性校正.温度成一定函数关系的黑体辐射光信号.这样就可以通过光纤把信号送给光电探测器,测量其输出电信号即可计算出待测温度.微处理器可采用89C51,标定后中间插值点之间的温度一般采用软件分段线性拟合.非线性补偿一般采用对数放大电路.蓝宝石光纤温度测量系统见图1.1蓝宝石光纤温度传感器的工作原理蓝宝石光纤高温计是以黑体辐射理论为基础.探头是在耐高温的蓝宝石光纤顶端制作的一个封闭的黑体腔.当黑体腔置于被测炉体中,会发出与图1蓝宝石光纤温度测量系统黑体腔内置直径1.27mm的蓝宝石单芯光纤探头,辐射
6、光信号由棒的内面进行全反射来传输.蓝宝石是氧化铝(Al2O3)的单晶体,其熔点为2050℃,是一种机械强度高、光学透明、热稳定性好、化学性质稳定、在高温环境下适用的光导材料之一1.根据普朗克黑体辐射定律2:的亮度温度.2)黑体辐射光亮度与绝对温度之间非线性关系的影响.从黑体辐射公式中可以看到,辐射光强C1λ-5(eC/λT-1)-1,M(λ,T)=(1)Mλ(T)与黑体温度T之间呈指数关系,因此在测2M(λ,T)是黑体发射的辐射光谱亮度,λ为辐射光波长,T为辐射体的热力学温度.C1=3.74×10-2W·cm-1·μm-1,C2=1.44cm·K.C1、C2是辐
7、射常数.利用单色滤光片或分光镜选择一固定的波长,这样辐射强度为温度的单值函数.实验表明,物体在高温下的单色光辐射强度和辐射体温度的关系可用维恩公式来表示:量中可考虑采用对数放大器加以补偿.3)光电探测器零点漂移的影响.在光电转换中一般采用硅光电池或硅光电二极管,但它们共同的问题是存在温度漂移和零点漂移.因此要有相应的补偿电路.4)环境温度的影响.由于炉外环境温度一般并不稳定,传感及测量系统会受环境温度变化的影响,产生温度漂移.因此光电探测器及放大、补偿电路一般要置于恒温装置内.5)背景噪声及高频干扰的影响.在电磁干扰比较大的环境下测量,如测量感应炉内温度,要考虑
8、背景噪声及高频干扰的影响
