劳动合同法实施条例-幼儿园大班教学反思

光纤传感器高温测量的实验研究　陈天慧
,
等
光纤传感器高温测量的实 验研究
TheExperimentalStudyofOpticalFiberTransduce rinPyrometry
陈天慧　李威宣
(
武汉理工大学机电学院
,
武汉　
430070
)
摘　要　简要介绍了光纤传感器原理中有关光纤的特性及其重 要参数
,
说明了关于高温物体的热辐射性质及光纤传感器在高温测量
时的原理
,
分析了试验中的测试结果。
关键词　光纤传感器　热辐射　黑体　信号检测
Abst ract
　
Intheprincipleofopticalfibertransduce r,relevatradiation
propertyofhightemperatureobj ectresultsareanalyzed.
Keywords
　
Optical fibertransducer
　
Heatradiation
　
Blac kbody
　
Signaldetection
0
　引言
光纤传感技 术是伴随着光通信技术的发展而逐步
发展起来的
,
是近年来发展较快的传感技术
,
其在现代
工业的各个领域应用日趋广泛。光纤传感器与传统的
各类传感器相比有一 系列独特的优点
,
如灵敏度高
,
抗
电磁干扰
,
耐腐 蚀
,
电绝缘性能好
,
防爆
,
光路有可挠曲
性
,
便于与计算机连结
,
结构简单
,
体积小
,
重量 轻
,
耗
电少等。光纤传感器的发展前景十分乐观。
学表达式为
)an
1
f=
(
2
π

λ
n
1< br>-
n
2
。
n
1
Δ
=
(
2< br>π
)
a
(
NA
)
2

λ
式中
:
a
为纤芯半径
;
λ
为光波波长
;
Δ为相对折射率
差
,
Δ
=
以上三个光纤特性参数在测量时对光纤的 选用起
着十分重要的作用
,
是选用光纤的主要依据。
2
　光纤高温传 感器的设计
2.1
　关于黑体辐射
1
　光纤的特性
1.1
　 数值孔径
黑体是指能完全吸收入射辐射
,
并具有最大发射
率的物体。绝对黑体 是不存在的
,
所有的物质受热时
均发出一定量的热辐射
,
这种热辐射 的量取决于该物
质的温度及其材料的辐射系数。对于理想的透明材
n
1
-n< br>2
22
数值孔径
(
NA
)
的大小表示该光纤的集光能 力
,
其
数学表达式如下
:
NA=n
0
sin
θ
max
=
料
,
其辐射系数为零
,
这时不产生任 何热辐射。但实际
上
,
所有的透明材料也都不可能是理想的
,
因而其 辐射
系数也不可能为零。
物体的热辐射能量随温度的提高而增加
,
对于理想黑体
,
辐射源发射的光谱能量可用普朗克
(
Planck
)< br>公
式表述如下
:
-
5
c
λ
T
E0
(
λ
,T
)
=C
1
λ
(
e
2
-
1
)
-
1
式中
:
θ
max
表示光纤的最大接收锥半角
;
n
0
表示空气折
射率< br>;n
1
表示纤芯的折射率
;n
2
表示包层的折射率。
1.2
　透过率
经过光纤传输的光束其光强会有所减弱
,
即光能
在光 纤中有一定损耗
,
如光纤输入端和输出端分界面
上的菲涅耳反射损耗
,
纤芯与包层分界面的损耗
,
纤芯
和包层材料的吸收损耗等。
透射率
τ
的数学表在式为
τ
=
(
1
-R
)
2e
-
θ
cos
1
L
式中
:
E
0
(
λ
,T
)
表示黑体发射的光谱辐射通量密度
;C
1
表示第一幅射常数
(
C
1
=3
.
74
×
10
-12
W
・
cm
2
)
;C
2
表示
第二辐射常数
(
C
2
=1
.
438 8cm
・
k
)
;
λ
表示光谱辐射的
波长
; T
表示黑体的绝对温度。
对于高温物体
,
往往是通过测量物体的热辐射能量来确定其表面温度的
,
即非接触式测温技术。光纤
高温传感器就是采用了这样的 原理
,
在一定的波长间
隔范围内
,
通过探测黑体腔发射的能量来测量 黑体腔
39
α
+
β
sin
θ
1
d
式中
:R
是反射率
;L
是光纤长度
;
θ
1
是折射角
;d
是纤
芯直径
;
α
是纤芯吸收系数
;< br>β
是包层吸收系数。
1.3
　归一化频率
归一化频率
f
是确定光纤传输模式的参数
,
其数

《自动化仪表》第
25< br>卷第
10
期　
2004
年
10
月
所处温度场 的温度。
2.2
　测温探头的设计
述的普朗克公式得出
-
5
C
(
λ
T
)
-
1
E
(
λ
,T
)
=
ε
C
1
λ
(
e-
1)
λ
2
图
1
是光导棒探头的示意图。该探头采用石英光
纤预制棒
(
即在制造光纤时用经过提纯的原材料制成
的一根满足要求的玻璃棒
,
它是拉制光纤的原始棒体
材料
)
,
因为它既耐高温又可传输辐射能
,
实际上起着
温度隔离的作用。如果直接用光纤束与对象靠近
,
则< br>会由于光纤束的粘接剂不耐高温而受到损坏
,
用光纤
预制棒则不仅可以将被测对 象的热辐射传给光纤
,
而
且还可保护光纤不被高温损坏。同时
,
为保 持光导棒
接受端面不被灰尘和其他污物等玷污
,
可采用了一个
吹风管进行吹风 。吹风空气必须清洁
,
吹风对温度测
量有一定的影响
,
但影响较小< br>,
可不予考虑
,
吹风出路
在探头端部。光导棒测温探头必须靠近对象< br>,
如果远
离对象
,
被测对象的面积就必须很大
,
这样 光导棒的视
场角
θ
max
就很大。
式中
:
ε
λ
是物体的光谱发射率
;T
是黑体腔绝对温度
,
即被测物体的温度 。黑体腔开口处辐射的总辐射能量
为
E
(
T
)
=
κ
S
-
5
C
(
λ
T
)
-
1
ε
C
1
λ
(
e-
1
)
d
λ
d
S
λ
2
式中
:
S
是光导棒的横截面积 。辐射能量经高低温光
纤耦合器后
,
由低温低损耗光纤传输到光电二极管
,< br>在
光电二极管前设置透射率大于
50%
的窄带滤光片
,
再由
PIN
2
FET
组成的前置放大器和锁相放大电路进行信
号检 测。
PIN
2
FET
是一个小面积、低电容的光电二极
管和高输入阻 抗
FET
前置放大器的复合体
,
用其作为
一种紧凑的混合组件
,
所有的引线长度和杂散电容都
绝对为最小。此电路具有供电电压低
,
在一 定温度范
围内和电偏压条件下稳定的特点。
为提高探测的灵敏度和检测的信噪比
,除了采用
PIN
2
FET
低噪声前置放大电路外
,
还应 提高黑体辐射
腔发射能量耦合进入低温光纤中的耦合效率。即要设
计合适的光导棒直径和低温光 纤的纤芯直径
,
以构成
最佳的光纤耦合器。
图
1
　光导棒探 头示意图
在高低温光纤被光纤连接器连接后
,
它们可能保
持一定的距离
,
也可能紧靠在一起
,
这样一来我们就必
须设计最佳的光导棒直径和光纤直 径使得光导棒中的
辐射能量尽可能多地进入低温光纤
,
这就是光纤耦合
器的设 计过程。
如果用一根光纤来收集由高温光纤即光导棒的辐
射能量
,
则光导棒的 直径
D
与纤芯直径
d
、
NA
及耦合
距离
c
之间有如下的几何关系
D
Ε
d+
2
c
(
N A
)

温度探头由低温光纤和具有金属薄膜的石英遮
光体包住的光导棒组成(
如图
1
所示
)
。在纯石英棒
表面镀上一层金属薄膜形 成如图
1
所示的一个腔体
,
以便在外界辐射进入后形成一个黑体辐射腔
,
金属薄
膜的尖端部分作为高温探头与外界热源相接触并感
温。此时在腔体内部就形 成了黑体辐射。根据黑体
辐射定律
,
通过光纤把热辐射传输到光探测器并转换
成电信号。光电流和黑体辐射呈非线性关系
,
但通过
信号处理可以部分校正成线性,
然后进行数字处理和
显示。
2.3
　光纤高温传感器基本工作原理设计
1
-
(
NA
)
2
　　如果用两根光纤紧靠在一起来 收集光导棒的辐射
能量
,
则此时的关系为
D
Ε
d+b+2
c
(
NA
)

1
-
(
NA< br>)
2
图
2
是光纤高温传感器的基本工作原理框图。它
由传感器 的高温探头、高低温光纤耦合器、信号检测和
处理系统等几部分组成。高温探头是如前所述的纯石
英棒用镀膜技术制成的黑体辐射腔
,
把它放到温度场
中
,
黑体腔通 过开口处向外辐射能量
,
在单位波长间隔
内单位面积辐射到单位立体角内的辐射能量可 根据前
式中
:
b
为低温光纤的直径。
3
　实验研究及结论< br>光纤高温传感器的关键之一是研制高性能的测温
探头。探头的质量取决于镀膜技术、光学冷加工和 探
头材料的性能。有关人员对高温探头、单晶蓝宝石棒
和纯石英棒进行了专门的耐高温实验和光 导性能研究
及内应力变化的实验。实验表明
,
在
1000
℃以下温< br>区
,
采用纯石英棒做探头是可行的
,
它的热稳定性和光
导性能 良好。
1000
℃以上的温区则需采用单晶蓝宝石
图
2
　光纤高温传 感器原理设计示意图
(
下转第
33
页
)
40
PRO CESSAUTOMATIONINSTRUMENTATION,Vol.25,No.10,Oct.,20 04

基于
Profibus
现场总线的
PLC
通信　 毛　哲
第
2
层协议实现
,
适合于中等容量系统的通信任务
(
240
字节
)
。实际应用
FDL
方式时主要进行组态和编< br>(
FDL
联接
)
。
PLC
1
的组态参数(
与
PLC
3
通信
)
如下
:
　　LocalID:
(
HEX
)
　　　　
0002A000
PartnerID:
(
HEX
)
LocalModule:
Pa rtnerModule:
ConnectionType:
ConnectionName:
PartnerL2Address:
LocalLSAP:
RemoteLSAP:
Status:
ViaCP:
ID
(
Dec.
)
:
Laddr:
0001A000
Simatic300
(
1
)
CPU315-2DP
Simatic300
(
3
)
CP U315-2DP
FDLConnection
FDLConnection3
88
4
OK
CP343-5-
(
ROS4
)
2< br>W#16#0100
程
2
个步骤。
FDL
编程方法比较简单< br>,
因为
PLC
通信的功能已
经在软件程序上集成为
2
个功能模块
FC
5
和
FC
6
,
即
AGSE ND
(
FC
5
)
和
AGRECV
(
FC< br>6
)
。
AGSEND
功能
是发送数据
,
即将 数据从
PLC
指定的发送缓冲区传送
至通信方
,
发送缓冲区的指针可 以指向一个过程映像
区、一个位存储器区或一个数据块。要发送的数据长
度不能超过
2 40
字节
;ASRECV
功能为接收数据
,
即
通信方接收的 数据传送到
PLC
指定的接收缓冲区
,
接
收缓冲区可以是一个过程映 像区、一个位存储器区或
一个数据块
,
接收缓冲区应有足够的长度。实际应用
时可根据控制任务采取各种方法调用
FC
5
和
FC
6
。本< br>文所述的
PLC
通信的调用是放在
PLC
的
OB35
(
循环中
断
)
中
,
循环周期为
100ms
。图
4
为
PLC
1
和
PLC
3
通信
调用的示意图。
4
　结束语
在实施图
1
及图
3
所 示项目中
,
采用了基于
Profibus
现场总线的
PLC
通信技术。该项目的运行实
践表明
:
各
PLC
之间的通信具有高度实 时性、高可靠
性的特点
,
完全能够满足实际生产对自动控制的要
求。
参考文献
1
　毛哲
,
田随明
.
现代电气控制
.华中科技大学出版社
,2001
2
　西门子
(
中国
)< br>有限公司
.SIMATICS7-300
可编程序控制器产品
图
4　
PLC
1
和
PLC
3
的通信示意图
目录.2000
　　收稿日期
:2003-10-19
。
作者毛哲
,
男
,1957
年生
,1990
年武汉水利电力大学硕士研究生毕业
,
教授
;
研究方向为现场总线技术、
PLC
网络通信 技术。
应用
FDL
方式进行通信的关键是通信的组态。
运行
Prof ibusNCMS7
组态软件后
,
在
STEP7
(
PLC< br>的标
准工具软件
)
中进行硬件组态
(
CP343-5
)
和通信组态
(
上接第
40
页
)
光纤高温传感器样 机测量温度的信号电压和温度的关
系曲线如图
3
所示
,
在
5 00
～
1000
℃范围内的测温具有
很高的分辨率
,
且重复 性和稳定性较好。
实验室中的实验表明
,
采用单晶蓝宝石棒和纯石
英棒
,
用镀膜技术制作黑体辐射腔的高温探头是可行
的。其测量精度高
,
具有结 构简单、使用方便的特点
,
是一种简单有效的高温传感器
,
有着广泛的应用前 景。
参考文献
1
　刘德明
,
等
.
光纤光学
.
国防工业出版社
,1995
年
2
　张志鹏
,
等< br>.
光纤传感原理
.
中国计量出版社
,1991
年
3< br>　刘瑞复
,
等
.
光纤传感器及其应用
.
机械工业出版 社
,1987
年
棒做高温探头
,
而且希望宝石棒的光轴与棒轴之间的
夹角小于
5
°为佳。
在计算机的模拟计算和实验研究中初步表明
,< br>采
用
PIN
2
FET
前置放大电路和锁相放大电路作为信号探
测系统的方案是可行的
,
而且效果较好。实际研制的
　　修改稿收到日期:2003-12-01
。
第一作者陈天慧
,1978
年生
,< br>现为武汉理工大学在读硕士研究生
;
主
要从事光纤传感器在工业中的应用和开发 研究。
图
3
　信号电压与温度的关系曲线
33