一种蓝宝石温度传感器及其制作方法以及温度测量系统技术方案

公开了一种蓝宝石温度传感器及其制作方法以及温度测量系统。该蓝宝石温度传感器包括：热防护装置、蓝宝石光纤探头、光纤耦合器；蓝宝石光纤探头的一端为传感头，另一端与光纤耦合器连接；热防护装置包围在蓝宝石光纤的外部；传感头置于热防护装置一端，防护装置的另一端与光纤耦合器连接；传感头由黑体腔包覆在蓝宝石光纤一端的外表面构成，黑体腔由多种感温材料颗粒通过等离子体电弧加热至熔融状态并均匀喷涂在蓝宝石光纤一端的外表面形成。通过使用等离子体喷涂方法制作的蓝宝石光纤温度传感器，具有测温范围广、热响应速度快、精度高、寿命长、成本低和本质绝缘的优点，比传统温度计的优势更突出，抗腐蚀性、抗电磁干扰能力强。

【技术实现步骤摘要】
一种蓝宝石温度传感器及其制作方法以及温度测量系统
本专利技术涉及瞬态高温测量领域，更具体地，涉及一种蓝宝石温度传感器及其制作方法以及温度测量系统。
技术介绍
温度和热流的精确测量一直是燃烧领域发展的关键问题之一，为开发设计航空涡轮发动机、超燃冲压发动机以及高温风洞测试等都具有重要的意义和应用价值，这些复杂工况下燃气瞬态高温测量工作的共同特点是温度高，变化快，可能伴有高压或高速流动，一次性过程居多，测量条件恶劣，传统的热电偶无法满足测试要求。按照测量原理分类，可将燃烧温度测量方法分为接触式测温方法和非接触式测温方法。接触式测温法的感温原件直接置于被测温度场，不受被测介质热物性参数的影响，常用的接触式测温法有热电偶测温法、等离子体测温法等，具有使用方便、测量精度高等优点。但近年来测量响应速度慢、温度上限低、使用寿命短等因素限制了热电偶的应用。非接触测温法具有响应速度快、测温无上限、不影响被测对象温度场等优势，是目前国内外研究的重点。按照测量手段的不同，非接触式测温方法又可分为光学成像法、激光光谱法、光谱辐射法和微波法等四大类。常用的非接触式测温方法中，光学成像法和相干反斯托克斯拉曼散射法容易受到干扰，无法保证测量结果的准确性；激光诱导荧光法在高压氧环境下存在“猝熄效应”，而且在对非稳态火焰的测量和空间分辨能力方面都存在弱点；发射吸收光谱法结构庞大、造价昂贵、技术复杂；原子发射多谱线法不能直接测量被测对象的发射光谱，而是需要引入其它元素原子，作为温标原子，这样会增加测试难度、干扰原有温度场；辐射法的最大障碍是受到被测对象发射率的影响，存在“发射率修正”的困难，无法获得被测对象的真温；比色法一定程度上解决了发射率的影响，但是对测量光谱波长要求较高，同时也无法获得测量对象的真温；多光谱辐射法解决了测量真温的问题，但是对发射率假定方程提出了较高的要求，方程的准确性与否对测量结果影响很大。蓝宝石光纤高温传感器(CrystalSapphireHigh-temperatureOpticalFiberSensor)是一种结合黑体辐射测温和光纤传感技术的高温温度场瞬态测量方法，将蓝宝石光纤一端镀制敏感材料薄膜形成黑体腔，通过普朗克黑体辐射定律测量黑体腔热平衡所产生的辐射能得到被测对象温度。与热电偶等传统测量方法相比，蓝宝石光纤高温传感技术结合了光纤传感技术灵敏度高、抗电磁干扰等特点，其体积小，空间分辨率高，同时具有响应快、测温上限高、成本低、寿命长等优点，是航空航天发动机燃烧场等恶劣环境下高温和热流测量的有效途径。具体研究内容和方法参考文献：沈永行，从室温到1800℃全程测温的蓝宝石单晶光纤温度传感器，光学学报，2000,20(1):83-87。蓝宝石(α-Al2O3)是一种优异的近红外耐高温光学材料，它的单晶熔点达2318K，耐腐蚀，物理和化学性能都很稳定，机械强度好，在波段0.3～4.0um内有良好的透光性。黑体腔型蓝宝石光纤温度传感器的制作方法可以有以下3种方式：一种是高温烧结高发射率的感温介质陶瓷薄层形成微型光纤感温腔，这种感温介质必须能满足耐高温、稳定性好、且与蓝宝石单晶光纤基体结合牢固等一系列苛刻的要求；另一种是溅射贵金属或陶瓷感温介质薄膜，构成体积微小的感温黑体腔，但在黑体腔的外形控制上无法保证，稳定性差；第三种，利用等离子喷涂的方法制作陶瓷黑体腔。等离子体喷涂技术是将等离子体技术应用到喷涂领域的一种体现，其主要技术原理是利用等离子体电弧产生的热量，将多种材料的细小颗粒加热到熔融或半熔融状态，并使这些颗粒以较高的速度运动到预先处理过的基体的表面，从而在基体表面形成一种牢固的具有良好特性的涂层。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种蓝宝石温度传感器及其制作方法以及温度测量系统，解决现有瞬态高温场测试技术的不足，实现航空航天发动机高温燃气等复杂环境下的高温瞬态测量。为实现上述目的本专利技术提出了一种蓝宝石光纤温度传感器，包括热防护装置、蓝宝石光纤探头、光纤耦合器；所述蓝宝石光纤探头的一端为传感头，另一端与所述光纤耦合器连接；所述热防护装置包围在所述蓝宝石光纤的外部；所述传感头置于所述热防护装置一端，所述防护装置的另一端与所述光纤耦合器连接；所述传感头由黑体腔包覆在所述蓝宝石光纤一端的外表面构成，所述黑体腔由多种感温材料颗粒通过等离子体电弧加热至熔融状态并均匀喷涂在所述蓝宝石光纤一端的外表面形成。优选地，所述防护装置为尖劈形状的保护套管，所述蓝宝石光纤安装于所述保护套管内部的轴心处，所述传感头位于所述保护套管的尖端，所述传感头部分外露或全部外露。优选地，所述保护套管为钨合金材质，所述保护套管内壁与所述蓝宝石光纤之间的中空腔填充有隔热密封材料，所述保护套管的两端与所述蓝宝石光纤的连接处通过高温胶密封连接。优选地，还包括滞止罩，所述滞止罩为所述保护套管尖端的延长部分，所述滞止罩半包围所述传感头。优选地，还包括法兰套，所述保护套管的非尖端边沿设有凸起，所述法兰套套接于所述保护套管的非尖端并与所述凸起配合，所述法兰套通过螺栓与所述光纤耦合器固定连接。一种蓝宝石光纤温度传感器的制作方法，包括：将蓝宝石光纤两端面研磨抛光，其中一端沿周向打磨；采用等离子体喷涂方式，将细小颗粒感温材料加热到熔融状态并将熔融状态的颗粒喷射到所述蓝宝石光纤经周向打磨后的一端表面；在所述蓝宝石光纤的一端形成牢固的耐高温涂层，完成传感头喷涂；将蓝宝石光纤另一端通过光纤耦合器和通用接口与传输光纤连接。优选地，蓝宝石光纤温度传感器的制作方法，还包括：测定传感头的动态响应时间，若传感头的动态响应时间达到预期指标，进行静态标定；对蓝宝石光纤温度传感器制定温度与电压信号的分度表；为蓝宝石光纤温度传感器安装热防护装置。优选地，蓝宝石光纤温度传感器的制作方法，还包括：采用高温激波管对蓝宝石光纤温度传感器进行静态标定，采用标准热电偶和热电偶检定炉对蓝宝石光纤温度传感器进行分度表的制定。一种温度测量系统，包括：蓝宝石光纤温度传感器；以及传输光纤，所述传输光纤一端与所述蓝宝石光纤温度传感器通过光纤耦合器连接，用于传输所述蓝宝石光纤温度传感器采集到的光信号；光电转换装置，所述光电转换装置的输入端连接于所述传输光纤的另一端，用于将所述光信号转换成放大后的模拟电压信号。优选地，温度测量系统还包括：动态数据采集器，所述动态数据采集器的输入端连接于所述光电转换装置的输出端，用于采集所述模拟电压信号并将模拟电压信号转换成数字电压信号；数据处理装置，所述数据处理装置连接于所述信号采集器的输出端，用于根据温度与电压信号的分度表换算出最终的高频瞬态的温度测量结果。本专利技术的有益效果为：本专利技术提出的一种蓝宝石光纤温度传感器，具有测温范围广、热响应速度快、精度高、寿命长、成本低和本质绝缘的优点，比传统温度计的优势更突出，抗腐蚀性、抗电磁干扰能力强，可远距离传输，灵敏度高，适合在易燃易爆、剧烈震动、强磁场干扰和高温高压等恶劣环境下的温度测量。使用等离子体喷涂方法制作蓝宝石光纤温度传感器具有喷涂参数可控、传感头批量化喷涂的优势，且传感器稳定性好。采用本专利技术的蓝宝石光纤温度传感器的温度测量系统基于黑体辐射理论，通过测量蓝宝石光纤的传感器的黑体腔的热平衡所产生的辐射能得到被测对象温度，测温上限高达300本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种蓝宝石光纤温度传感器，其特征在于，包括热防护装置、蓝宝石光纤探头、光纤耦合器；所述蓝宝石光纤探头的一端为传感头，另一端与所述光纤耦合器连接；所述热防护装置包围在所述蓝宝石光纤的外部；所述传感头置于所述热防护装置一端，所述防护装置的另一端与所述光纤耦合器连接；所述传感头由黑体腔包覆在所述蓝宝石光纤一端的外表面构成，所述黑体腔由多种感温材料颗粒通过等离子体电弧加热至熔融状态并均匀喷涂在所述蓝宝石光纤一端的外表面形成。

【技术特征摘要】
1.一种蓝宝石光纤温度传感器，其特征在于，包括热防护装置、蓝宝石光纤探头、光纤耦合器；所述蓝宝石光纤探头的一端为传感头，另一端与所述光纤耦合器连接；所述热防护装置包围在所述蓝宝石光纤的外部；所述传感头置于所述热防护装置一端，所述防护装置的另一端与所述光纤耦合器连接；所述传感头由黑体腔包覆在所述蓝宝石光纤一端的外表面构成，所述黑体腔由多种感温材料颗粒通过等离子体电弧加热至熔融状态并均匀喷涂在所述蓝宝石光纤一端的外表面形成。2.根据权利要求1所述的蓝宝石光纤温度传感器，其特征在于，所述防护装置为尖劈形状的保护套管，所述蓝宝石光纤安装于所述保护套管内部的轴心处，所述传感头位于所述保护套管的尖端，所述传感头部分外露或全部外露。3.根据权利要求2所述的蓝宝石光纤温度传感器，其特征在于，所述保护套管为钨合金材质，所述保护套管内壁与所述蓝宝石光纤之间的中空腔填充有隔热密封材料，所述保护套管的两端与所述蓝宝石光纤的连接处通过高温胶密封连接。4.根据权利要求2所述的蓝宝石光纤温度传感器，其特征在于，还包括滞止罩，所述滞止罩为所述保护套管尖端的延长部分，所述滞止罩半包围所述传感头。5.根据权利要求1所述的蓝宝石光纤温度传感器，其特征在于，还包括法兰套，所述保护套管的非尖端边沿设有凸起，所述法兰套套接于所述保护套管的非尖端并与所述凸起配合，所述法兰套通过螺栓与所述光纤耦合器固定连接。6.一种蓝宝石光纤温度传感器的制作方法，其特征在于，包括：将蓝宝石光纤两端面研磨抛光，其中一端沿周向打磨；采用等离子体喷...

【专利技术属性】
技术研发人员：于靖波，肖维忠，康国剑，王宏伟，马元宏，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11