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基于黑体空腔的光纤高温测试系统的研究

刘玉莎  
【摘要】: 在航天、材料、能源、冶金、化工等领域,对高温强浸蚀性介质的温度测量具有重要的意义。目前常用的温度传感器为铂铑金属热电偶和光纤型高温计。高温条件下热电偶寿命短、消耗快、抗腐蚀能力和抗电磁干扰能力都比较差。光纤型高温计能够有效的用于高温测量,但它仍存在一些缺陷,如光纤辐射高温计由于不能探入被测高温源内部,测量误差较大;光纤强度法测温计的精度差;光纤比色测温计结构复杂,难以互换,可靠性差;蓝宝石光纤高温计价格昂贵,实用化比较困难。 本文设计研究一种可代替贵金属热电偶和蓝宝石光纤高温计的黑体空腔传感器,它可与被测温度源直接接触感受温度信号,同时设计光纤辐射测温系统,使其通过一个密闭空间非接触的接收黑体空腔传感器发出的辐射信号,这样将接触式和非接触式测温法的优点相结合,同时又避免了因其缺点而带来的不利因素。论文具体内容包括: 介绍了黑体辐射的基本定律、黑体表面辐射换热原理和腔体辐射理论,为系统实现温度测量提供理论依据,为计算黑体空腔发射率提供方法。 对黑体空腔传感器进行了设计。根据积分方程理论建立了圆柱形黑体空腔对腔外探测器的积分发射率模型,并通过分析等温条件下腔体几何结构、材料发射率、探测器大小及位置对积分发射率的影响,得到了腔体设计的优化结构参数,提高了温度测量精度。 将黑体空腔传感器与光纤比色测温系统相结合,给出了整个光纤高温测试系统的结构,并对各个组成部分进行了详细介绍。采用透镜组和光纤准直器收集黑体腔传感器的光辐射信号并耦合入普通光纤,通过两个不同波长的窄带干涉滤光片得到两路光信号,根据系统测温范围选用Si和InGaAs集成封装的光电探测器对信号进行光电转换,经放大和信号处理后,最后在Labview虚拟仪器界面中实时显示温度。 应用ANSYS有限元软件对黑体空腔传感器的动态特性进行了仿真,给出了随时间变化,黑体空腔传感器各点的温度分布和变化情况,并讨论了传感器初始预热温度、热物性参数、边界条件等因素对其精度和动态特性的影响。对整个光纤高温测试系统进行了静态和动态温度测试实验,取得了较好的实验效果。


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