1、第 1 页 共 45 页蓝宝石光纤温度传感器线性化校正的单片机实现摘要基于黑体辐射原理的蓝宝石光纤温度传感器可进行恶劣环境下瞬态高温的测量，近年来得到了较广泛的应用。蓝宝石光纤温度传感器的非线性严重影响传感器的精度和稳定性。为了解决测量中存在的非线性问题,本文首先叙述了蓝宝石光纤温度传感器的测温原理和非线性产生机理；其次结合蓝宝石光纤温度传感器的非线性特性，构造了校正函，并结合单片机运用此校正函数完成了蓝宝石光纤温度传感器线性化的校正，最后对校正的合理性进行了验证。关键词：蓝宝石光纤,瞬态高温,线性化校正，校正函数，单片机第 2 页 共 45 页Nonlinear Calibration Te
2、chnology of Sapphire Fiber Temperature SensorAbstractSapphire fiber temperature sensor which is based on the mechanism of blackbody radiance can be suitable for harsh environments in transient high temperature measurement, has gotten more extensive application in recent years. The nonlinearity of Sa
3、pphire fiber temperature sensor seriously impacts on the sensors precision and stability. In order to solve nonlinear problem in measurement, this paper first describes the theory and nonlinear mechanism of the sapphire fiber temperature sensor and nonlinear mechanism; Then related with sapphire fib
4、er temperature sensor nonlinear characteristics, the theory of formation function is expounded, and has constructed the adjustment letter, and unified the monolithic integrated circuit to utilize this correction function to complete the sapphire optical fiber high temperature sensor linearization ad
5、justment; Finally has carried on the confirmation to the adjustment rationality.Key words：Sapphire Fiber, Transient High Temperature, Nonlinear Calibration,Calibration Function , Single Chip Microcomputer第 3 页 共 45 页1 绪论1.1 温度的概念温度是一个很重要的物理参数，自然界中任何物理、化学过程都和温度紧密相联系。在很多生产过程中，温度测量和控制都直接和安全生产、保证产品质量、提高
6、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，因此在国民经济各个领域中温度的研究都受到了相当的重视，对温度进行研究也就显得非常重要也是非常必要的。在温度测量领域内瞬态温度的测量是测温技术中一个重要分支。瞬态高温是指随时间快速变化的温度。瞬态温度测量的共同特点就是温度高、变化快、测量环境恶劣，并且还常伴有高压或高速气流流动，多为不可重复一次性瞬态过程。近年来发挥光纤特性的光纤传感器，为解决这些测试技术难题提供了有效的途径。瞬态温度在兵器测试界尤为关心，对兵器研制，特别是枪炮寿命，防烧蚀，发动机效率磨损、局部升温问题具有重要意义，是当今急需解决的课题。另外在内燃机、发动机等热工或热力转换过程中，都存
7、在瞬态变化热现象，瞬态表面温度作为热变形、热应力分析的不可缺少的重要参数，其测量技术一直是研究者的重要探讨方向。兵器领域瞬态表面温度测量的共同点是：温度高、变化快，瞬态温度达 2000K 以上，响应时间为 s 级 3，往往还伴有复杂环境条件，这给其测量技术提出了更高要求 4。尽管已经开发出适用于瞬态温度测量的多种薄膜热电偶，但在这领域的理论研究和实践仍不能满足测量工作的需要。例如，传感器测量温度范围不够高，响应速度不够快，动态测温模型及校准技术的研究比较落后等，这些问题都需要迫切解决。1.2 测温的方法1.2.1 温度测量概述温度的测量首先是由温度传感器来实现的。测温仪器通常由温度传感器和信号
8、处理两部分组成。温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号，传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有：膨胀、电阻、电容、第 4 页 共 45 页电动势，磁性能，频率，光学特性及热噪声等等。随着生产的发展，新型温度传感器还会不断出现。目前，国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种：1.热膨胀式温度计；2.电阻温度计 ；3.热电偶；4.辐射式测温仪表；5.石英温度传感器测温仪。1.2.2 瞬态测温的方法目前瞬态温度的测量方法是多种多样的，归纳起来可以划分为两大类：接触式测温与非接触式测温，详细分类如下 1
9、.1 图所示：图 1.1 瞬态测温的方法（1）非接触式测温方法包括辐射测温激光测温和红外热成像等技术。非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触。实现这种测温方法可利用物体的表面热辐射强度与温度的关系来检测温度 11。非接触式仪表测温的测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快，但是它也存在一些缺点，如需提供有关的物性参数（比如辐射系数等） ，所测量得到的一般是测量场内的平均温度，受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大，在大多数情况下精确度不如接触式测温方法高。（2）接触式测温方法，包括直接接触
10、式测温方法和外推法。直接接触测温法是把测量温度用的传感器置于被测介质中，使两者直接接触，第 5 页 共 45 页进行热交换。根据热力学定律，当两者达到热平衡时，传感器所反映的温度，就是被测介质的温度。一般膛壁测温所用的传感器多为薄膜式热电偶，其缺点是：在高温，高压，高冲击环境下，传感器用寿命短，且由于传感器的安装使温度场产生畸变而出现测温误差，以及由于传感器结构带来动态误差等。外推法是在身管测温部位开一个盲孔，将测温传感器安装在距被测的膛内壁一定距离处，测取该处的温度，然后利用传热学原理所推导的计算公式，再将该处所测得的温度逆推算成被测表面的温度。同样存在温度场畸变所致的误差。接触式温度测量中
11、，最为理想的是被测物体不应因装上测温元件而改变原来的温度，而测温元件却能获得与未装上它时被测对象的温度。实际上这一理想要求是很难满足的。在接触式测温中，由于测温元件的存在，被测表面温场分布受到破坏，其破坏程度不仅取决于传感器的尺寸及传热特性，而且还取决于被测对象的材料、尺寸、形状及传热特性。由此可见，即使有了单独分度的精确的测温元件，它感受的也不一定是被测对象的真实温度。除上述诸因素外，还有材料的热物性、周围换热系数的变化以及表面接触状况的随机性等均是影响接触式测温准确度的因素。1.3 传感器概述 传感器是将各种非电学量(包括物理量、化学量、生物量等)按一定的规律转换成便于处理和传输的另一种物
12、理量(一般为电学量)的装置。传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术,它是检测(传感)原理、材料科学、工艺加工三个要素的最佳结合。检测(传感)原理指传感器工作时所依据的物理效应、化学反应和生物反应等机理,各种功能材料则是传感技术发展的物质基础,从某种意义上讲,传感器也就是能感知外界各种被测信号的功能材料。传感技术的研究和开发,不仅要求原理正确、选材合适,而且要求有先进、高精度的加工装配技术。除此之外,传感技术还包括如何更好地把传感元件用于各个领域的所谓传感器软件技术,如传感器的选择、标定以及接口技术等。在信息时代,人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。 而传
13、感器处于自动检测与控制系统之首,是感知、获取与检测信息的窗口,传感器处于究对象与测控系统的接口位置,一切科学研究和生产过程要获取的信息第 6 页 共 45 页都要通过它转换为容易传输与处理的电信号。现在人们常常将计算机比喻为人的大脑,传感器则可比喻为人们的感觉器官。“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点现在已为全世界所公认。所以,国内外都将传感器技术列为重点发展的高技术。1.3.1 传感器的结构组成传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成,有时还需要加辅助电源。敏感元件(预变换器):在完成非电学量到电学量的变换时,并非所有的非电学量都能利用现有手段直接变换为电学量,往往是将被测非
14、电学量预先变换为另一种易于变换成电学量的非电学量,然后再变换为电学量。能够完成预变换的器件称为敏感元件,又称预变换器。转换元件:将感受到的非电学量直接转换为电学量的器件称为转换元件。需要指出的是,并非所有的传感器都能分清敏感元件和转换元件两个部分。例如半导体气体传感器、半导体光电传感器等,它们都是将感受的被测量直接转换为电信号输出,没有中间变换。测量电路:将转换元件输出的电学量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。测量电路的类型视转换元件的分类而定,经常采用的有电桥电路及其他特殊电路,如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路、振荡回路等。1.3.2 温度传感器温度传感器是把温度转
15、换为电信号的传感器。温度传感器发展较早，应用也很广泛。制作温度传感器的材料有很多种，如导体、半导体、电介质、磁性材料、有机高分子等。其中，用半导体材料制作的温度传感器称为半导体温度传感器，它因与 IC 工艺相容而得到迅速发展。半导体温度传感器根据测温的方式分为接触式和非接触式两类：接触式温度传感器包括热电偶、热敏电阻、p-n 结型热敏二极管、热敏晶体管、可控硅和集成温度传感器；非接触式温度传感器包括利用塞贝克（Seeback）效应制成的红外吸收型温度传感器和 MOSFET 红外探测器。非接触式温度传感器可进一步分成热型和量子型的。前者有测辐射热器件，后者包括利用光电导效应和光生电压效应的器件。
16、表 1.1 中归纳了比较常用的温度传感器，供使用者按应用目的和测量范围选用传感器时参考。第 7 页 共 45 页表 1.1 温度传感器的种类种类 测温范围/特点与注意事项RH（铂铑-铂铑） 10001600 1000以上使用，11v/，可在还原性气体中使用PR（铂铑-白金） 01400 在 1400以上时，白金变脆，不宜在还原性气体中使用，14v/CA（镍铬-镍铝锰合金）-1001000 直线性好，低温时灵敏度下降，由于-镍铝锰合金有磁性，不能用于还原性气体中，40v/IC（铁-康铜） 200500 可在还原性气体中使用，50v/CC（铜-康铜） -200300 在 300以下，可稳定的使用，
17、43v/热电偶镍铬-康铜 -200600 灵敏度最大，非磁性，70v/Pt -200600 在-180630的范围中，可作标准（0.36%/）Ni 200400 电阻变化率最大，1%/，非线性大测温电阻Cu 200300 直线性好，0.43%/，电阻值小热敏电阻 -50150 电阻率变化大，非线性大，在高温时，其电阻变化率与测温电阻同，不受导线的影响二极管 -200150 -2mv/,简便，灵敏度大IC 温度传感器 -55150 是二端器件，输出电流正比于绝对温度放射温度计 200300 非接触测温，检出波长能量，若不知放射率就不知道真实温度光学高温计 7003000 难以实现自动化，检出单一
18、波长能量二色温度计 1003000 可与放射率无关地测出灰色物体的温度，不受被测对象缺陷的影响物体表面温度的测量是最常见的一种测温情况，用来测量物体表面温度的传感器就被称为表面温度传感器。表面温度传感器的种类很多，如按其与被测对象的关系来分，有接触式与非接触式的；如按测温的原理来分，有热电偶表面温度第 8 页 共 45 页传感器，热电阻温度传感器，辐射温度传感器，电涡流温度传感器和光纤温度传感器等。在上述诸传感器中，又可根据使用的现场情况及要求，设计成各种不同的结构，有的用于点的温度测量，有的还可用于温场的测量。1.4 瞬态高温的测量1.4.1 热电偶测温1.热电偶特点热电偶是工业上最常用的温
19、度检测元件之一。其优点是：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬） ，最高可达+2800（如钨- 铼） 。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。2.热电偶测温基本原理 将两种不同材料的导体或半导体 A 和 B 焊接起来，构成一个闭合回路。当导体 A 和 B 的两个执着点 1 和 2 之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作
20、的。热电偶是两种不同成份的导体两端经焊接形成回路。直接测温叫工作端，接线端子叫冷端，亦称参比端，见图 1.2。当工作端和参比端存在温差时，就会在回路里产生热流，接上显示仪表，仪表上就会指示出热电偶所产生的热电动势的对应温度值。热电偶的热电动势将随着测量端温升增大，热电动势的大小只和热电偶导体材质以及两端温差有关，和热电极的长度、直径无关。图 1.2 热电偶工作原理图3热电偶测温的不足早在上世纪初,人们就开始把热电偶温度计用于一般温度测量。热电偶测温是第 9 页 共 45 页常用的经典测温方法，当不同材料的金属合金导体两端存在温度差异时，导体两端就会产生电势差，热电势与导体两端的温度差存在简单的
21、函数关系，当这种材料的热端与被测对象达到热平衡而冷端处于一恒定的已知温度时，就可以由电势差得到被测对象的温度。可以说这类接触型温度计对于内燃机缸内压缩温度和排气温度等的实机测定做出了开创性的贡献。它的优点是装置简单易于操作,可以测量点温,灵敏度和精度较高,且便于现场应用。然而,由于下列缺陷阻碍了这类温度计的进一步使用。(1)热电偶材料的热惯性由热电偶偶丝材料的热惯性引起的测温误差可用下式表示:(1.1)tm0TsSpex()ex(AhVCp4)hdCA式中： 为误差因子；和 分别为被测物体温度的真值和测量值（K） ；tTm为初始温度(K)；0h 为偶丝表面与被测环境间的热交换系数(W/m 2K
22、)；As为偶丝换热表面面积(m 2 )；Vs为偶丝体积(m 3)；d 为偶丝直径(m)； 为偶丝材料的密度(kg/m 3)；Cp为偶丝材料的比热(kJ/kgK)；通常记：(1.2)SptsVCAh我们称之为热时间常数；在特定的情况下可以看成是热电偶动态响应性能的表征量。为了减小测量t误差 ，需要减小 。我们可以从以下方法考虑:增大 h,由此出现了声速型热t电偶；选择 和 Cp小的材料做热电偶；减小偶丝直径 d。但是热电偶材料的选择还受测温上限等要求的限制, 因此在某些测温场合，减小直径 d 往往是唯一的办法。那么 d 之间量级关系到底如何呢？对于内燃机缸内燃气温度测量而言,文t第 10 页 共
23、 45 页献认为 3:只有当 d10m 或25m 时才能使热电偶的动态响应性能满足被测温度变化的要求。事实上,这类细丝的热接点形成和处理均很困难,而且对发动机振动和缸内气流扰动的强度严重不足。可见这类温度计在提高响应性能与保证强度这两方面存在一定的矛盾,这也是阻碍它进行动态测温的一大原因。(2)热电偶的耐热性通常接触式温度计 5的测温上限总是限制在感温材料的熔点之下。目前的高温热电偶材料主要是铂铂铑合金,它们的熔点难以满足内燃机缸内最高燃烧温度的测量要求。其次, 热电偶材料的耐热性还表现为其主要热物理性能(比热导热系数 )在高温下的稳定性以及材料本身的热氧化能力。事实上是现有的高温热电偶材料在
24、这些方面缺乏良好的性能,从而影响了其测量精度的稳定和使用寿命的提高。1.4.2 光纤温度传感器测温1.光纤传感器的发展到了 20 世纪 80 年代以后，随着光纤传感技术的迅速发展，各类光纤温度传感器应运而生。其中美国是世界上最早研究光纤传感器的国家。特别是近三十年来，光纤技术得到了迅速的发展，光纤通信和光纤传感是光学纤维的两大重要应用，光通信的优越性已众所周知，而光纤传感技术则是近几十年发展起来的。尽管它没有像光通信那样形成一个新的工业部门，但其独特的优越性能和潜在的应用价值已为其开辟了广阔的应用前景，使光纤应用发展到了一个新的阶段。光纤高温传感器正是这一领域非常成功且具有重要的应用前景，它集高温单晶光纤和光纤传感技术之所长，显示了传统器件所无可比拟的优越性。光纤高温传感器具有高敏感性抗电磁干扰耐腐蚀响应快衰减小稳定性好以及重量轻体积小易挠曲等优点，较适用于精密冶炼炉高额感应加热过程高温窖炉内燃机以及航空航天发动机喷口的温度测量等等。由此可见，光纤高温传感器是测量瞬态高温的首选。蓝宝石光纤高温传感器 4是光纤高温传感器的一种，它由光纤黑体腔传输光纤及信号检测系统三部分组成。黑体腔按 planck 黑体辐射定律产生的光信号经传输光纤到达滤光检测系统，由光电检测器转换成电信号，经处理后给出被测的温度。蓝宝石光纤高温传感器的温度传感敏感元件是直接在高温传输光纤端部制
