1 前言
基於Plank黑體輻射定律，我們以鍍有高溫陶瓷的藍寶石光纖為黑體高溫傳感器構建了高溫測試系統，並測試了運動乙炔焰的溫度。該結果對解決目前諸多工程實際應用中瞬態高溫測試難題具有明顯地意義。
2.理論基礎
光纖溫度傳感器系統包括端部摻雜質的高溫藍寶石單晶光纖探頭、Y型石英光纖傳導束、超高亮發光二極體(LED)及驅動電路、光電探測器、螢光信號處理系統和輻射信號處理系統。如圖1所示。
在高溫區(400℃以上)，光纖溫度傳感器基於光纖被加熱要引起熱輻射的原理工作。熱輻射效應光強調製型光纖溫度傳感器屬於被動式光強調製，它不需要外加光源，而直接由藍寶石光纖製成的黑體腔收集熱輻射，然後通過傳輸光纖送到光電二極體探測並進行數據處理。熱輻射的強度和波長是溫度的函數。採用帶黑體腔的高溫單晶藍寶石(α-Al2O3)光纖(其熔點溫度為2050℃)，當黑體腔與待測溫度區熱平衡時，黑體腔就按照黑體輻射定理髮射與待測溫度T相對應的電磁輻射，其譜功率密度出射率可以用Plank公式表示為
其中ελ為黑體腔的譜發射率;C1=3.74×108 W·μm4/m2為第一輻射常數;C2=1.44×102μm·K為第二輻射常數;λ為光譜輻射波長;T為黑體輻射溫度。這一功率經高溫光纖直接耦合進入低溫光纖，然後射入光電二極體光敏面。考慮到光電二極體光敏面的光譜響應為0.4～1.1μm，同時為了使黑體腔的發射率穩定，控制黑體腔的長徑比大於 3，於是黑體腔譜發射率ελ≈ 1，入射到光電二極體光敏面的黑體總輻射能量為
其中n1、n2分別表示高溫光纖與低溫光纖、低溫光纖與光電二極體光敏面之間的功率耦合效率;S、l′、α分別表示高溫光纖截面積、長度、損耗係數。
在低溫區(400℃以下)，輻射信號較弱，系統開啟發光二極體(LED)，使螢光測試系統工作，發光二極體發射調製的激勵光，經聚光鏡耦合到Y型光纖的分支端，由Y型光纖並通過光纖耦合器到藍寶石光纖探頭。光纖探頭端部受激勵光激勵而發射螢光，信號由藍寶石光纖導出，並通過光纖耦合器從Y型光纖的另一分支端射出，由光電探測器接受。光電探測器輸出的光信號經放大後由螢光信號處理系統處理，計算出螢光壽命得到所測溫度值。
3.信號處理
光電二極體感應的光輻射信號經過光電轉換、信號放大、線性化處理、A/D轉換、微機處理後給出待測溫度。為了實現多點測量，加入多路開關，通過微機控制，選擇所測點。如圖2所示。
由於光纖給出的輸出光強是非線性的指數信號，這種非線性關係，在溫度數位化測量中，加進線性化裝置進行線性補償。這裡選用模擬線性化，採用折線逼近方案，即用連續有限折線代替曲線的直線化方式。其特點是技術簡單，精度取決於折線段的多少。
4 測試方法
4.1熔煉過程中的探頭設置
在熔煉過程中，金屬液體始終處於流動狀態;可以認為在這個溫度場中，金屬液體各處的溫度基本一致。將探頭放置於溶液表面下10cm左右處，通過熱輻射測出溶液溫度。
4.2在熱處理加熱爐系統中的探頭設置
在加熱爐中，被處理的工件與爐壁進行熱交換。輻射換熱量表示為
ε1、ε2分別為工件和爐壁的黑度，φ21為角係數。當熱平衡時候，T1=T2，Q12=0。兩者之間沒有了熱交換，這時候就可以測出工件的溫度。將探頭安置於爐壁，外接光纖測出工件的加熱溫度。
4.3凝固過程中的溫度測量
鑄件在凝固過程中，它的內溫度場為不穩定溫度場。在鑄件截面上某一點，不同時刻，溫度是不同的;在同一瞬間，鑄件截面上各點的溫度也不同。其溫度場是坐標(x，y，z)和時間t的函數
T=(x，y，z，t)
為了測出鑄件在凝固過程的溫度場，研究溫度場和等溫面的變化，進一步進行仿真模擬，提高產品質量和成品率，有必要對凝固過程進行多點測量。光纖溫度傳感器能夠快速響應溫度變化，測量精度高，可以準確的反映溫度場的情況。在測量中，將探頭安置於所測點，通過微機來觀察和描繪溫度場。
4.4光纖連接
為了使光通道的可拆性成為可能，便於多點測量，為測試提供便利的測試接口，同時儘可能的降低連接過程中的光損耗，在光纖接口處採用可以拔插的光纖連接器，實現從光源到光纖、光纖到光纖以及光纖到探測器之間的光耦合。考慮到在熱加工環境下使用，光纖連接器必須可靠、堅固耐用、可維修、插入損耗小等因素，採用SC型單芯光纖連接器。這種連接器的法蘭盤中有卡簧，接口是矩形結構，在插入中很容易對準，適宜於高密度安裝，提高了操作性、損耗的穩定性以及封裝密度。在連接中還可以採用小型封裝連接器SFF，使在較小的空間內使用成為可能。
5 結論
在熔煉爐的加熱過程中，用鉑銠熱電偶和光纖高溫探頭對同一個溫區進行測試;在整個溫度區域的測試過程中，對比測試結果，光纖高溫探頭與鉑銠熱電偶測試結果基本相符。光纖高溫傳感器的使用壽命長，重複性好，性能價格比高，完全可以在生產中替代鉑銠熱電偶，目前已經部分應用於生產過程中。