蓝宝石光纤温度传感器的非线性误差分析与校正.doc

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 :A Nonlinear error analysis and calibration of sa pphire optical f iber temperature sensor L IU Chang2yuan ( College of Electrical and Electronic Engineering , Harbin University of Science and Technology , Harbin 150040 ,China) Abstract :In recent years the radiation temperature sensor of optical fiber has gotten more extensive application , which is based on the radiation principle of black body. In order to solve nonlinear errors in measurement , the prin2 ciple of the black body radiation temperature sensor of optical fiber and nonlinear error source are analysed. The composition of measurement circuit is given , and temperature calibration had is carried out with standard Platinum2 Rhodium thermocouple . Calibrated results of measurement can meet the demands of actual measurement . Key words :optical fiber ; black body radiation ; nonlinear error 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 . 27 mm 的蓝宝石单芯光纤 探头 ,辐射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 2  050 ℃,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 ( e C / 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 2 M (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