專利名稱：光纖傳感瞬態(tài)高溫測量儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于在沖擊高壓狀態(tài)下(≤400MPa)利用光纖傳感方式測量動態(tài)溫度的裝置。該裝置以普朗克(Planck)定律為基礎，采用雙波長窄帶比較法，對應輸出R＝(λ2/λ1)5exp[C2/T1/λ2-1/λ1)]只與溫度T有關，C2、λ1、λ12均為常量。
采用光纖傳感測量沖擊溫度的裝置，已知有六通道瞬態(tài)光學高溫計(《高壓物理學報》、Vol2，No3，277～284，1988)，這種裝置用綜合測量法確定灰體光源的溫度和發(fā)射率。它需要多種儀器的組合，形成龐大的實驗裝置，這種裝置不能顯示最高溫度，也不能承受400MPa的高壓，該裝置采用了六根多模光纖作為六個通道，把六根光纖捆在一起，作為六路分光裝置，實踐表明誤差超過20%，從理論上講，由于排列方式、端面平行度、連接耦合的重復性等，導致稍改變一下探頭位置，重復精度差。即六路光輸入，然后六路光輸出，絕對替代不了一路光輸入，六路光輸出的分光裝置。
本發(fā)明的目的在于提出一種新的光纖傳感瞬態(tài)高溫測量儀，使之具有能耐400MPa高壓、能直接顯示最高溫度、體積小巧、裝卸方便、結構合理、互換性強、精度高、重復性好等優(yōu)點。
本發(fā)明的特征在于它是由高壓窗與光學系統(tǒng)、雙波長光纖溫度傳感器、信號處理系統(tǒng)三部分組成。光學系統(tǒng)包括有校零光源、物鏡、分光棱鏡、分劃板和目鏡;雙波長光纖溫度傳感器由1/4 P自聚焦透鏡，其數(shù)值孔徑為0.17～0.37，直徑為0.8～2.5mm，石英芯子與硅酮被覆層組合的傳感器光纖、Y型分束器、濾光片、探測器保溫室、模擬放大與除法器組合而成;信號處理系統(tǒng)由單片機、內外觸發(fā)同步與校正電路、0-10Vdc接口電路、4 1/2 位數(shù)顯電路、電源、微機通訊接口組成。
本發(fā)明首先要解決耐高壓問題，由于密閉爆發(fā)器有一φ5mm的測壓孔，若將傳感頭直接布置在該孔內，引爆后極易損壞，因此，需堵塞此孔，又要使堵塞材料能透過λ1和λ2波，本發(fā)明采用的是二次氣煉石英玻璃。由于多次沖擊石英玻璃，其表面受轟擊而碎裂，這是一個易損元件，需要經(jīng)常更換。為了使其能耐400MPa高壓，設計時將其作成一園錐體，錐角2α＝18°～24°，這個角度既要考慮到物鏡所要求的視場，又要考慮到壓強盡可能小，園柱側面積盡可能大，使壓力分布在側面上，為此，園錐大頭尺寸為φ6mm。由于高壓窗在多次沖擊下，側面產(chǎn)生的應力會越來越大，必然會引起應力雙折射帶來的透過率誤差，為了避免這一點，本發(fā)明將石英玻璃錐體分成兩段，靠進大頭這一段厚度約3mm，作一次性更換使用，后一段長度約12mm，作永久性密封使用，這樣不僅降低了成本，而且3～5mm厚度的石英晶體隨沖擊壓力的不同將會引起光速穿透速度的變化，從而達到測溫和測壓的目的。從密閉爆發(fā)器幅射的兩列波λ1和λ2經(jīng)高壓窗到自聚焦透鏡端面，由光纖導引后分為兩路，進入干涉濾光片后分別進行光電轉換，電信號進入比值電路，由單片機修正送入存儲器，瞬態(tài)過程完成后立即顯示相應的溫度量。在實際使用時，擰上頭部，可從目視系統(tǒng)觀察高壓窗端面，調節(jié)物鏡，使端面在分劃板中成像清晰，用光纜連接頭部與信號處理部分，安裝即完畢。本發(fā)明采用標準光源校零，一方面是因為光纜布置的路程不同，消除由此而引起的附加損耗;另一方面，連續(xù)使用時，高壓窗前端面被污染，消除由此而引起的透過率降低誤差。本裝置可與瞬態(tài)記錄儀、微機、繪圖儀、頻率信號發(fā)生器等多種儀器聯(lián)合使用，并可內觸發(fā)同步、外觸發(fā)同步。本發(fā)明的元器件選擇建立在λ1、λ2的波長確定，然后再從熱源范圍1500-4000K、光纖窗口有無吸收峰、探測器的峰值波長0.9μm來考慮，為此，確定λ1為0.82～0.93之間;λ2為0.5～0.53之間。本發(fā)明采用的標定方法為1000-3000K用黑體爐定標，3000-4000K由標定曲線延伸，最小二乘法擬合。
本發(fā)明采用雙波長窄帶比較法，使一些干擾因素如透過率、表面污染等影響相互抵消，達到不影響輸出功率改變的目的。這種窄帶比較法使儀器靈敏度、分辨率進一步提高，是動態(tài)檢測較為實用的方法。本發(fā)明采用全光纖光學式，即傳感器頭部沒有與輸入信號有關的電子元器件，提高了抗電磁干擾能力，可在高頻電場、磁場下在線檢測。本裝置采用自聚焦透鏡與光纖連接，提高了信號輸出的穩(wěn)定性。因為輻射光波聚焦在1/4P的透鏡前端面，構成一個望遠系統(tǒng)，增大了距離系數(shù)。本發(fā)明還采用了混合纜，即光纜與電纜同在一條纜線內。且光纖芯徑達400μm，硅酮被覆層作包層，使光信號高次模迅速衰減，如加一個分布式光欄，使裝置穩(wěn)定性提高，重復性好。本發(fā)明還采用復合干涉濾光片和同一基底雙光敏面探測器，使溫飄現(xiàn)象得到控制。
圖一為本發(fā)明所設計的光纖傳感瞬態(tài)高溫測量儀結構框圖。
在圖一中，1為密閉爆轟裝置，該裝置由特種鋼材制成，一端帶有點火裝置，另一端為光能發(fā)射孔，兩端均采用紫銅墊圈密封，要求壓力達到400MPa以上不漏氣;2為高壓窗;3為校零用標準光源;4為物鏡，其焦距f＝50mm，調節(jié)物鏡可觀察到高壓窗小頭端面成像在分劃板上;5為分光棱鏡;6為分劃板;7為目鏡;;8為自聚焦透鏡，來自密閉爆轟裝置的兩列波λ1、λ2經(jīng)過高壓窗會聚在自聚焦透鏡上，該透鏡與物鏡構成一望遠系統(tǒng);9為混合光纜，將金屬導線與光纖膠合成一條纜，長度可根據(jù)安裝位置而定，其中光纜傳輸光信號，金屬導線是一種多股軟線，它與標準光源連接，其作用是校零;10為Y型分束器;11為濾光片;12為探測器保溫室，將10、11、12做在一個盒子內，用雙光敏面PIN高速響應探測器代替Y型分束器，把λ1、λ2作成復合濾光片，各占50%的面額，半帶寬120
～200
，處于恒溫室中，溫室發(fā)熱元件為2W的電阻4個，溫度敏感元件為AD590，使用前預熱使溫室高于環(huán)境溫度達到50℃時，AD590送出一個信號，自動切斷加熱電阻，這樣穩(wěn)定了接收信號;13為模擬放大與除法器;14為單片機系統(tǒng)，本發(fā)明采用51系列，并與高速A/D相配合，一般模/數(shù)轉換采用10位以上;15為內外觸發(fā)同步與校正電路;16為0-10Vdc接口電路;17為4 1/2 位數(shù)顯電路;18為電源;19為微機通訊接口。
權利要求
1.一種光纖傳感瞬態(tài)高溫測量儀，其特征在于是由高壓窗與光學系統(tǒng)、雙波長光纖溫度傳感器、信號處理系統(tǒng)三部分組成，光學系統(tǒng)包括有校零用標準光源、物鏡、分光棱鏡、分劃板和目鏡；雙波長光纖溫度傳感器是由1/4P自聚焦透鏡，其數(shù)值孔徑為0.17～0.37、直徑為0.8～2.5毫米，石英芯子與硅酮被覆層組合的傳感器光纖、Y型分束器、濾光片、探測器保溫室、模擬放大與除法器組合而成；信號處理系統(tǒng)由單片機、內外觸發(fā)同步與校正電路、0-10Vdc接口電路、4 1/2 位數(shù)顯電路、電源、微機通訊接口組成。
2.根據(jù)權利要求1所述的測量儀，其特征在于所說的高壓窗是采用二次氣煉石英玻璃材料制作而成，將高壓窗作成一園錐體，錐角2α＝18°～24°，園錐大頭尺寸為φ6mm。
3.根據(jù)權利要求1所述的測量儀，其特征在于將Y型分束器、濾光片、探測器保溫室做成一體，用雙光敏面PIN高速響應探測器代替Y型分束器，把雙波長λ1和λ2作成復合濾光片，各占50%的面額，半帶寬120
～200
，從而達到動態(tài)測溫的目的。
4.根據(jù)權利要求1所述的測量儀，其特征在于，它是由普通光學、微小光學、一根光纖波導等組合的全光纖光學式，即頭部沒有與信號有關的電子元器件，達到抗干擾能力強，動態(tài)范圍寬的目的。
全文摘要
一種光纖傳感瞬態(tài)高溫測量儀，它是由高壓窗與光學系統(tǒng)、雙波長光纖溫度傳感器、信號處理系統(tǒng)組成。該裝置應用于沖擊高壓狀態(tài)下(≤400MPa)，測量動態(tài)溫度，并顯示最高溫度(≤4000K)，借助繪圖儀，可繪制爆發(fā)始末的整個過程曲線，為科學工作者在沖擊載荷下，探索物態(tài)方程提供了重要工具，為火炸藥特性研究，火箭尾流噴射流場溫度研究、發(fā)動機燃燒室溫度研究等多種場合創(chuàng)造了有利條件。
文檔編號G01J5/54GK1084965SQ9311745
公開日1994年4月6日 申請日期1993年9月9日 優(yōu)先權日1993年9月9日
發(fā)明者陳堯生 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所