專利名稱：金屬管狀黑體空腔高溫溫度傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬管狀黑體空腔高溫溫度傳感器，具體涉及一種適用于2300K以下長時間溫度測量的基于金屬管狀黑體空腔的高溫溫度傳感器，屬于高溫測量用的溫度傳感器技術領域。
背景技術：
目前，國內測量高溫氣流溫度所用的傳感器，一般采用鉬銠系列的熱電偶，所能測量的最高溫度為2000K。美國專利說明書US5364186公開了一種基于黑體空腔的高溫傳感器，該傳感器在光纖表面通過火焰噴涂或濺射的方式鍍制一層金屬氧化物陶瓷，形成黑體腔，并作為感溫元件，通過光纖導光，經探測器、信號處理系統等，最終得到溫度信號。該傳感器的測溫上限為2000K，具有抗電磁干擾，響應快的優(yōu)點，但黑體腔鍍層在使用中容易脫落，在一定程度上影響了其使用效果。目前在航空、航天、核工業(yè)等領域，所涉及的測量溫度越來越高，有些發(fā)動機的氣流溫度已達2300K。由于溫度太高，缺乏準確有效的測溫手段。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了提出金屬管狀黑體空腔高溫溫度傳感器。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現的。本發(fā)明的金屬管狀黑體空腔高溫溫度傳感器，包括黑體空腔1、屏蔽罩2、耦合器
3、傳輸光纖4、分光探測系統5與數據處理系統6 ;黑體空腔I和耦合器3之間、屏蔽罩2和耦合器3之間均采用螺紋連接，螺紋連接的外表面均涂覆高溫密封膠，以保證螺紋連接處不發(fā)生周向轉動，同時避免漏光；黑體空腔I與屏蔽罩2均采用金屬銥材料，金屬銥在成型之前需經過鍛造或熱軋壓力加工，以提高其綜合機械性能，壓力加工后的組織纖維方向與所受正應力方向平行，或與所受切應力方向垂直；黑體空腔I的外表面頭部設計成肋片式結構，肋片的數量不少于3，以增強被測氣流與黑體空腔I之間的對流換熱，減小高溫傳感器的輻射誤差和導熱誤差，同時增加對氣流的阻力，降低氣流掠過黑體空腔I的速度，減小速度誤差。黑體空腔I設計成盲孔形式，插入被測截面部分孔的長度與直徑之比不小于10，以保證黑體空腔具有高的有效發(fā)射率。屏蔽罩2的外壁面上設計有進氣孔和出氣孔，進氣孔和出氣孔的面積之比為I
6。對于來流馬赫數低于0.3的情況，屏蔽罩2進氣孔、出氣孔的面積比取I ;對于來流馬赫數在0.3 0.6范圍內的情況，屏蔽罩2進氣孔、出氣孔的面積比取2 4 ;對于來流馬赫數高于0.6的情況，屏蔽罩2進氣孔、出氣孔的面積比取5 6。屏蔽罩2的迎風面積應小于被測流道截面積的1/10，以減小屏蔽罩2對流道的阻塞。對于耦合器3，如果黑體空腔I的內徑大于傳輸光纖4的直徑，在耦合器3內嵌入透鏡，以使得光信號大部分進入傳輸光纖4，減小能量損耗；如果黑體空腔I的內徑小于或等于傳輸光纖4的直徑，黑體空腔I和傳輸光纖4在耦合器3內直接對接，但需保證黑體空腔I與傳輸光纖4同軸。傳輸光纖4米用多模石英光纖束,石英光纖束的芯徑為0.5mm 2mm,以盡量避免在耦合器3內使用透鏡，石英光纖束的頭部應處于不超過500K的低溫區(qū)，并位于透鏡焦平面的中心位置。分光探測系統5選用雙硅探測器，集成了分光、探測兩項功能，雙硅探測器的波長為 850nm 1050nm。數據處理系統6基于單片機或DSP，對光電轉換后的信號進行調理、放大與處理，最后將測得的溫度顯示在界面上。(I)黑體腔為盲孔形式，插入被測截面部分孔的長度與直徑之比不小于10，黑體腔外表面為肋片式的異型結構；(2)屏蔽罩上設計有進氣孔和出氣孔，進氣孔和出氣孔的面積之比為I 6 ;(3)信號傳輸光纖采用多模石英光纖束，石英光纖束與耦合器接頭外表面涂覆密封膠；(4)如黑體腔內徑大于石英光纖束直徑，在耦合器內嵌入透鏡，如黑體腔內徑小于或等于石英光纖束直徑，黑體腔和石英光纖束在耦合器內直接對接，耦合器與黑體腔之間以及耦合器與屏蔽罩之間都通過螺紋連接，接頭外表面涂覆高溫密封膠；(5)分光探測系統米用雙娃探測器,波長為850nm 1050nm,雙娃探測器與石英光纖束接頭外表面涂覆密封膠。所述黑體空腔以及屏蔽罩的材料為適用于2300K以下長期使用的金屬銥，金屬銥的熔點為2683K。黑體空腔與屏蔽罩在加工成型之前，需要進行鍛造或軋制等壓力加工，以便在高溫下使用時具有良好的綜合機械性能。有益效果本發(fā)明以耐高溫金屬材料制成的黑體空腔作為高溫傳感器的受感部，用石英光纖傳遞信號，并用雙硅探測器進行分光與光電轉換，結構緊湊，性能可靠。另外，在黑體空腔外面設計有屏蔽罩，結合黑體空腔的異型結構，并通過理論分析與數值計算，保證在測量高溫氣流溫度時具有較小的綜合測溫誤差，使之能應用于高溫氣流環(huán)境并保持足夠的熱強度。它具有耐溫高、抗氧化、準確度高等優(yōu)點，能夠解決此前無法解決的高溫測量問題。


圖1是本發(fā)明的結構示意圖；其中，1-黑體空腔，2-屏蔽罩，3-耦合器，4-傳輸光纖，5-分光探測系統，6_數據處理系統。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。實施例金屬管狀黑體空腔高溫溫度傳感器，包括黑體空腔1、屏蔽罩2、耦合器3、傳輸光纖4、分光探測系統5與數據處理系統6 ;黑體空腔I和耦合器3之間、屏蔽罩2和耦合器3之間均采用螺紋連接，螺紋連接的外表面均涂覆高溫密封膠，以保證螺紋連接處不發(fā)生周向轉動，同時避免漏光；黑體空腔I與屏蔽罩2均采用金屬銥材料，金屬銥在成型之前需經過鍛造和熱軋壓力加工，以提高其綜合機械性能，壓力加工后的組織纖維方向與所受正應力方向平行；黑體空腔I的外表面頭部設計成肋片式結構，肋片的數量為3，以增強被測氣流與黑體空腔I之間的對流換熱，減小高溫傳感器的輻射誤差和導熱誤差，同時增加對氣流的阻力，降低氣流掠過黑體空腔I的速度，減小速度誤差。黑體空腔I設計成盲孔形式，插入被測截面部分孔的長度與直徑之比為10，以保證黑體空腔具有高的有效發(fā)射率。屏蔽罩2的外壁面上設計有進氣孔和出氣孔，進氣孔和出氣孔的面積之比為I
6。來流馬赫數為0.5，屏蔽罩2進氣孔、出氣孔的面積比取3 ;屏蔽罩2的迎風面積為被測流道截面積的1/12，以減小屏蔽罩2對流道的阻塞。對于耦合器3，黑體空腔I的內徑等于傳輸光纖4的直徑，黑體空腔I和傳輸光纖4在耦合器3內直接對接，需保證黑體空腔I與傳輸光纖4同軸。傳輸光纖4米用多模石英光纖束,石英光纖束的芯徑為Imm,以盡量避免在稱合器3內使用透鏡，石英光纖束的頭部應處于不超過500K的低溫區(qū)，并位于透鏡焦平面的中心位置。分光探測系統5選用雙硅探測器，集成了分光、探測兩項功能，雙硅探測器的波長為 lOOOnm。數據處理系統6基于單片機，對光電轉換后的信號進行調理、放大與處理，最后將測得的溫度顯示在界面上。測量時，黑體空腔I感受被測溫度，收集能量，并將能量以光信號的形式向后傳輸，經過稱合器3后進入傳輸光纖4,分光探測系統5將光信號分成不同波長的兩路即上層信號和底層信號，并轉變成電信號，數據處理系統6將電信號調理、放大與處理，最后將測得的溫度顯示在界面上。
權利要求
1.金屬管狀黑體空腔高溫溫度傳感器，其特征在于:包括黑體空腔(I)、屏蔽罩(2)、耦合器(3)、傳輸光纖(4)、分光探測系統(5)和數據處理系統(6)； 黑體空腔⑴和耦合器⑶之間、屏蔽罩⑵和耦合器⑶之間均采用螺紋連接，螺紋連接的外表面均涂覆高溫密封膠，螺紋連接處不發(fā)生周向轉動且不漏光； 黑體空腔(I)與屏蔽罩(2)均采用金屬銥材料，金屬銥在成型之前需經過鍛造或熱軋壓力加工； 黑體空腔(I)的外表面頭部設計成肋片式結構，肋片的數量不少于3 ;黑體空腔(I)為盲孔形式，插入被測截面部分孔的長度與直徑之比不小于10 ； 屏蔽罩(2)的外壁面上設計有進氣孔和出氣孔，進氣孔和出氣孔的面積之比為I 6 ;屏蔽罩(2)的迎風面積小于被測流道截面積的1/10 ； 傳輸光纖(4)米用多模石英光纖束，石英光纖束的芯徑為0.5mm 2mm,石英光纖束的頭部處于不超過500K的低溫區(qū)，并位于透鏡焦平面的中心位置； 分光探測系統(5)選用雙硅探測器，集成了分光、探測兩項功能，雙硅探測器的波長為850nm 1050nm ;數據處理系統(6)基于單片機或DSP ； 測量時，黑體空腔(I)感受被測溫度，收集能量，并將能量以光信號的形式向后傳輸，經過耦合器(3)后進入傳輸光纖(4)，分光探測系統(5)將光信號分成不同波長的兩路即上層信號和底層信號，并轉變成電信號，數據處理系統(6)將電信號調理、放大與處理，最后將測得的溫度顯示在界面上。
2.根據權利要求1所述的金屬管狀黑體空腔高溫溫度傳感器，其特征在于:黑體空腔(I)的內徑大于傳輸光纖(4)的直徑，在I禹合器(3)內嵌入透鏡。
3.根據權利要求1所述的金屬管狀黑體空腔高溫溫度傳感器，其特征在于:黑體空腔(I)的內徑小于或等于傳輸光纖⑷的直徑，黑體空腔⑴和傳輸光纖⑷在耦合器⑶內直接對接。
4.根據權利要求1所述的金屬管狀黑體空腔高溫溫度傳感器，其特征在于:來流馬赫數低于0.3時，屏蔽罩(2)進氣孔、出氣孔的面積比取I。
5.根據權利要求1所述的金屬管狀黑體空腔高溫溫度傳感器，其特征在于:來流馬赫數為0.3 0.6時，屏蔽罩⑵進氣孔、出氣孔的面積比取2 4。
6.根據權利要求1所述的金屬管狀黑體空腔高溫溫度傳感器，其特征在于:來流馬赫數高于0.6時，屏蔽罩(2)進氣孔、出氣孔的面積比取5 6。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬管狀黑體空腔高溫溫度傳感器，屬于高溫測量用的溫度傳感器技術領域。包括黑體空腔、屏蔽罩、耦合器、傳輸光纖、分光探測系統與數據處理系統；黑體空腔的外表面頭部設計成肋片式結構，黑體空腔設計成盲孔形式。本發(fā)明以耐高溫金屬材料制成的黑體空腔作為高溫傳感器的受感部，用石英光纖傳遞信號，并用雙硅探測器進行分光與光電轉換，結構緊湊，性能可靠。另外，在黑體空腔外面設計有屏蔽罩，結合黑體空腔的異型結構，并通過理論分析與數值計算，它具有耐溫高、抗氧化、準確度高等優(yōu)點，能夠解決此前無法解決的高溫測量問題。
文檔編號G01J5/08GK103162840SQ20111041361
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權日2011年12月13日
發(fā)明者趙儉, 武建紅, 楊永軍, 王鵬 申請人:中國航空工業(yè)集團公司北京長城計量測試技術研究所