钽-氧化锆光纤黑体腔温度传感器特性参数测试

郝晓剑,桑涛,潘保武,周汉昌(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原00051; 2.中北大学电子测试技术重点实验室,山西太原00051; .中北大学材料科学与工程学院,山西太原00051)



钽-氧化锆光纤黑体腔温度传感器特性参数测试

郝晓剑1,2,桑涛1,2,潘保武3,周汉昌1,2
(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051; 2.中北大学电子测试技术重点实验室,山西太原030051; 3.中北大学材料科学与工程学院,山西太原030051)

摘要:为了实现恶劣环境、狭小空间瞬态高温的测量,采用溅射、等离子体喷涂技术研制了蓝宝石光纤钽(熔点为2997℃)-氧化锆(熔点为2715℃)薄膜黑体腔瞬态高温传感器。设计了3支水电解的氢氧焰枪组成的恒温高温静态灵敏度标定装置和大功率高频可调制CO2激光脉冲作为阶跃激励源的动态特性标定装置。测试结果表明:当静态灵敏度标定装置恒温区为1 721℃、传感器抗冲击能力达到50 MPa以上时,传感器测得的温度为2 802℃;当CO2激光脉冲作为1 500℃高温阶跃输入信号时,测得该传感器时间常数为微秒数量级。

关键词:仪器仪表技术;钽-氧化锆薄膜;动态特性;瞬态超高温;抗冲击能力;测试

0　引言

瞬态温度测量工作的特点是温度高,变化快,常伴有高压或高速气流流动,多为不可重复一次性过程。因此,测量条件非常恶劣,技术难度很高,特别是在许多场合试验成本很高,对系统的可靠性和数据的捕获率有很高的要求。尽管目前已有很多适用于不同温度范围和响应速度的测温传感器,但在这个领域的理论研究和实践仍不能满足测量工作的需要,无法满足大的温度范围(如大于2 000℃的高温)、高响应速度(如时间常数τ＜1 ms)瞬态超高温测量的要求。

蓝宝石光纤钽-氧化锆黑体腔温度传感器把辐射测温技术和光纤传感技术有机地结合起来,具有灵敏度高(高温下)、不受电磁干扰、响应速度快等优点。为了解决传感器能在恶劣环境、狭小空间中瞬态高温测量的难题,将蓝宝石光纤黑体腔装在不锈钢螺塞状的紧凑壳体中,用耐高温有机硅涂料填补间隙防止漏光,信号通过ST连接器与锥度光纤相连,便于远距离传输。传感器外壳也可采用美国COTRONICS公司的760型氧化锆陶瓷材料,可以在室温下成型,成型后可以在4 000℉(2 204℃)温度下使用。该传感器具有传统热电偶无法比拟的高温稳定性和瞬态响应特性,在瞬态表面高温测量领域具有很好的应用前景。

1　传感器测温原理

瞬态高温传感器由蓝宝石光纤钽-氧化锆黑体腔、传光光纤、光纤耦合器、固态光电倍增管(SSPM)及低噪声跨阻放大电路组成,如图1所示。

图1　传感器的组成Fig.1 Composition of sensor

瞬态高温传感器是根据对传感器的辐射光信号探测得到被测瞬态高温的。根据Gouffe理论,当选择的光纤感温腔膜层材料发射率ε大于0.5,感温腔结构尺寸L/ D大于10时,腔口有效发射率E0就非常接近1,而且是一个稳定的值,这样蓝宝石光纤感温腔就可以被看作为一光纤黑体腔。将黑体腔温度传感器置于温度为T的被测区域内,波长为λ的单色辐射通量Φ(λ,T)由Planck黑体辐射定律决定,它是温度T的单值函数,欲测量黑体温度,只需测出黑体在给定波长附近的单色辐射通量即可。如图1所示,辐射通过光纤传至SSPM后输出的电压可表示为

式中:λ、Δλ分别为探测的波长和带宽;R(T)可由数值积分得到;K取决于光信号传输过程中各种光纤传输、耦合和其他光学元件的插入损耗、窄带光电探测器的灵敏度系数,难以用理论计算精确获得。若忽略温度变化引起损耗和发射率随温度的改变,它是与温度无关的装置常数,可通过静态标定得到。

对于蓝宝石光纤高温传感器,其变换原理的非线性特性由普朗克黑体辐射定律和光电倍增管特性等因素决定。蓝宝石光纤高温传感器测温系统的线性化校正函数可通过图2实现。系统的原始输入量为瞬变温度T,经蓝宝石光纤黑体腔辐射到光纤中,转换为与温度成非线性函数关系的能量值P,系统输出为光电放大器输出电压V,将V代入线性化校正函数,则系统希望得到校正后的最终电压值VY与温度T呈线性关系。如果需要输出T,可将VY作为自变量解出函数T值。由于K与温度无关且经过了线性化校正,只需在一个温度下标定即可[1]。

图2　传感器线性化校正原理图Fig.2 Linear calibration of sensor

2　传感器黑体腔结构设计

2.1钽-氧化锆黑体腔的形成

黑体腔可选择低成本高熔点金属钽(或钼)作为黑体腔底层膜层,因其透明,需在钽膜上镀制高熔点氧化物薄膜取代贵金属膜构成蓝宝石光纤黑体腔,以适应瞬态超高温的测量。

钽的熔点为2 997℃,沸点5 427℃,密度为16.5 g/ cm3.钽有着非常出色的化学性质,具有极高的抗腐蚀性。溅射钽膜的蓝宝石光纤如图3所示,钽膜膜层的SEM(扫描电子显微镜)图如图4所示,从图中看出膜层表面光滑,没有缝隙等瑕疵[2-3]。

在空气中,钽从300℃～325℃开始氧化,温度高于550℃时,氧化速度明显增加,生成氧化物Ta2O5.Ta2O5的摩尔体积与钽的摩尔体积之比为2.50,这导致了氧化膜的断裂或分层,当温度高于500～550℃时,随时间增加,氧化逐渐转变成破坏性氧化[4-6]。

图3　溅射钽膜Fig.3 Sputtered tantalum thin film

图4　钽膜SEM图(放大50倍)Fig.4 SEM photograph of tantalum thin film (50×)

显然,在蓝宝石光纤头部镀制钽膜形成的黑体腔不能在高温氧化环境下工作(金属钼也存在类似的缺点。其熔点2 630℃,沸点5 700℃,相对密度10.23 g/ cm3),因此需要在钽膜上镀制保护膜层以适应在氧化环境下工作[7-8]。在钽膜表面用等离子热喷涂工艺镀制氧化锆薄膜[9-11]。氧化锆熔点高达2 715℃,化学性质稳定,可以保护钽膜不受氧化环境影响。采用等离子热喷涂工艺在蓝宝石光纤上镀制的氧化锆膜层经电镜扫描后成像如图5所示。

图5　钽-氧化锆黑体腔SEM图(放大250倍)Fig.5 SEM photograph of Ta-ZrO2blackbody cavity (250×)

从图5可以看出,氧化锆膜层无剥离、裂缝现象,且与光纤结合紧密。如图6所示,3支氢氧焰喷枪产生的热源加热Ta-ZrO2的光纤头部,用IRCON公司Modline3(M3:1 000℃～3 000℃)型红外测温仪测量光纤端面温度,氢氧焰温度可达2 800℃,火焰小、热量集中且使用方便。当加热时间为15 s,加热温度在1 500℃以上时,氧化锆膜层未受破坏;在加热时间超过30 s,加热温度2 000℃以上时,氧化锆膜层有熔化现象。分析认为,红外辐射测温仪显示的温度是视场内的平均温度,光纤头部局部温度已超过了蓝宝石光纤的熔点2 045℃.实验表明,该黑体腔传感器可以应用在瞬态高温环境下。

图6　氢氧焰高温恒温区Fig.6 Constant temperature zone generated by oydrogen and oxygen flame guns

2.2光电转换及低噪声放大电路

为了实现传感器结构小型化,简化光电转换模块结构设计,可以与蓝宝石光纤直接耦合,选用了增益为4×105,响应时间小于1 ns,截面面积约为1 mm2的SSPM作为光电转换元件。

SSPM输出的是微弱的电流信号,所以前置放大电路需要提供很高的跨阻增益,为后续电压信号的调理、A/ D转换提供合适的电压信号,这极容易引入噪声;同时,由于测试的高温信号是瞬态变化的,因此要求前置放大电路具有足够的带宽。所以,在低噪声前置放大电路设计时,需要综合考虑增益、带宽、噪声、灵敏度等性能指标。要求前置放大电路具有较大的增益和较宽的带宽、极小的输入偏置电流以及采用单电源运放等优点。设计制作的低噪声光电放大电路如图7所示。

根据(1)式,如果已测得传感器输出电压,通过静态标定得到灵敏度K,就可以获得测量温度。

3　传感器性能参数及实验标定方法

3.1静态灵敏度K值高精度标定

对灵敏度K进行静态标定,可以确定温度与光电放大器输出电压之间的关系。理论上K值可由(1)式计算得出,但因系统的复杂性和各种因素的影响,难以精确计算,因此要靠实验标定[12]。

图7　低噪声光电放大电路Fig.7 Low noise photoamplifier circuit

根据Planck黑体辐射定律以及理论计算可知,随着温度的升高,蓝宝石光纤黑体腔高温传感器的输出急剧上升,从900℃～2 000℃,其输出值变化超过3个数量级,在＜900℃时,信噪比不好;在900℃～2 000℃间,信号输出变化缓慢;在＞2000℃时,输出信号急剧上升,所以选择温度高的恒温区进行静态标定,以提高标定精度。

本文提出一种高温恒温区高精度标定方案,如图8所示。装置由红外测温仪、三爪自定心卡盘、3台氢氧焰喷枪等构成。3根焰枪固定于中空三爪自定心卡盘上,手动调整卡盘以调整焰枪距离。

图8　传感器K值高精度标定方案Fig.8 K-value high accuracy calibration scheme of a sensor

红外测温仪输出的模拟信号由AD0809采集,并输入单片机。单片机将红外测温仪测得的温度值与设置温度值比较,以确定是否驱动步进电机工作,驱动传感器前后移动,调整传感器与氢氧焰的距离。步进电机驱动机构为滚珠丝杆驱动机构。显示模块采用四位一体数码管静态显示,显示设置的温度值。键盘采用独立按键。流程如图9所示。

图9　程序流程图Fig.9 Program flow chart

实验选用的氧化锆为直径1.5 cm、高7 cm的圆柱体。假设氢氧焰聚焦到氧化锆端面的圆形光斑直径为0.002 m,在上表面的中心位置附近形成直径0.002 m的半球形熔池。ANSYS热分析后整体温度场分布如图10所示。氧化锆陶瓷端面红外热成像端面温度曲线如图11所示。从图10中可以看出,陶瓷端面中心最高温度在1 791.12℃,温度起伏较小,用经高温黑体炉检定过的M3红外测温仪和单片机精确控制恒温区的温度,将蓝宝石光纤黑体腔温度传感器置于氢氧焰热源形成的恒温高温区域中,利用(1)式可求出静态灵敏度系数K.

图10　整体温度场分布Fig.10 Whole temperature field distribution

3.2传感器耐压测试

为了检验传感器在测试高温时能否承受高压的恶劣环境,设计了温度传感器耐压测试装置。该装置主要包括压力传感器、锤击式压力发生器、激光加热源和温度传感器,如图12所示。在对该温度传感器探头施加一定压力的同时,并对温度传感器的探头用激光加热。计算机接收到由数据采集卡采集的压力传感器和温度传感器的输出,如图13所示。

图11　端面温度曲线Fig.11 Temperature cures of transverse plane

图12　温度传感器耐压测试Fig.12 Pressure resistance test of temperature sensor

图13　压力-时间曲线Fig.13 Pressure-time curve

根据测试数据分析,当锤击式压力发生器产生的压力大于50 MPa,此时温度传感器输出的电压最大值为903.8 mV,根据静态标定,静态灵敏度系数K值为65.084×106V·m2/ W,可以得到此时的温度为2 802℃.

3.3传感器时间常数实验标定

传感器的动态响应时间测量由图14所示。采用阶跃上升的1 500℃高功率CO2激光束经45°反射镜后聚焦到蓝宝石光纤黑体腔温度传感头上,用示波器记录SSPM的输出得到其输出温度电压信号随阶跃激光信号的变化。因为时间常数受很多且很复杂因素的影响,利用理论计算方法很难获得准确的数据,因此,在实际应用中都是采用动态标定实验(风洞或激光器)的方法[13]。可以近似地用1阶系统来描述大部分温度传感器的动态特性。通过给出传感器阶跃响应曲线,即传感器的动态响应时间常数用稳态时间的63.2%来表示[14],约为794 μs,如图15所示。

图14　测量响应时间原理图Fig.14 Measurement principle of response time

图15　传感器的动态响应时间图Fig.15 Dynamic response time of sensor

4　结论

1)加工了钽-氧化锆黑体腔传感器样品,采用了可与蓝宝石光纤直接耦合的高增益、高响应速度的固态光电倍增管SSPM作为光电探测器,研制了小型蓝宝石光纤黑体腔瞬态表面超高温传感器。

2)对该温度传感器的温度、耐压值、时间常数进行了测试,为在恶劣环境下瞬态超高温的测量提供了一种方法。

3)设计了利用3支水电解的氢氧焰枪组成的温度传感器1 721℃高温静态标定装置,对作为金属传热体的氧化锆内部温度分布进行了分析和ANSYS仿真,确定了恒温区,提高了标定精度。

4) SEM测试表明,钽-氧化锆黑体腔在超高温下容易烧蚀,进一步研究、探索合适的黑体腔镀膜工艺,延长其使用寿命。

参考文献(References)

[1]Krol R VD, Liang Y Q, Schoonman J.Solar hydrogen production with nanostructured metal oxides [J].Journal of Materials Chemistry, 2008, 20(18):2311-2320.

[2]Feng X J, LaTempa T J, Basham J I, et al.Ta3N5 nanotube arrays for visible light water photoelectrolysis [J].Nano Letters, 2010, 10(3):948-952.

[3]Abe R, Higashi M, Domen K.Facile fabrication of an efficientoxynitride taon photoanode for overall water splitting into H2and O2under visible light irradiation[ J].Journal of the American Chemical Soriety, 2010, 132(34):11828-11829.

[4]Gao Q S, Giordano C, Antonietti M.Controlled synthesis of tantalum oxynitride and nitride nanoparticles[ J].Small, 2011, 23 (7):3334-3340.

[5]Varley J B, Janotti A, Walle C G V D.Mechanism of visible-light photocatalysis in nitrogen-doped TiO2[J].Advanced Materials, 2011, 20(23):2343-2347.

[6]Lin F D, Boettcher S W.Adaptive semiconductor/ electrocatalyst junctions in water-splitting photoanodes [ J].Nature Materials, 2014, 13:81-86.

[7]Hamann T W.Water splitting: an adaptive junction[J].Nature Materials, 2014, 13:3-4.

[8]David T S, Maurin C, Kevin S, et al.Light-induced water splitting with hematite: improved nanostructure and iridium oxide catalysis [ J].Angewandte Chemie-International Edition, 2010, 49(36):6405-6408.

[9]Pinaud B A, Vesborg P C K, Jaramillo T F.Effect of film morphology and thickness on charge transport in Ta3N5/ Ta photoanodes for solar water splitting[J].The Journal of Physical Chemistry, 2012, 116(30):15918-15924.

[10]Henderson S J, Hector A L.Structural and compositional variations in Ta3N5produced by high-temperature ammonolysis of tantalum oxide [ J].Journal of Solid State Chemistry, 2006, 11(179):3518-3524.

[11]Dang H X, Hahn N T, Park H S, et al.Nanostructured Ta3N5films as visible-light active photoanodes for water oxidation[J].The Journal of Physical Chemistry, 2012, 116(36): 19225-19232.

[12]Michalski L, Eckersdorf K, Kucharski J, et al.Temperatures measurement[M].2nd ed.John Wiley & Sons, 2001:279-332.

[13]Nicholas J V, White D R.Tranceable temperatures: an introduction to temperature measurement and calibration[ J].2nd ed.John Wiley & Sons, 2001:21-24.

[14]Laboucine C O, Kheliaf A.Periodic methord:correction for thermocouple and simultaneous estimation of themal conductivity and thermal diffusivity[J].Review of Scientific Instruments, 2004, 75(7): 132-135.

Research on Characteristic Parameters of Ta-ZrO2Fiber Blackbody Cavity Temperature Sensor

HAO Xiao-jian1,2,SANG Tao1,2,PAN Bao-wu3, ZHOU Han-chang1,2
(1.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement of Ministry of Education, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China; 2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China; 3.School of Materials Science and Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China)

Abstract:In order to realize the transient high temperature measurement in the harsh environment and narrow space, a sapphire fiber tantalum (melting point 2997℃)-zirconia (melting point 2715℃) thin film black body cavity transient high temperature sensor is developed by the sputtering and plasma spraying technology.Constant high temperature static sensitivity calibration device, which is composed of three water electrolysis oxyhydrogen flame guns, and dynamic characteristic calibration device with high power and high frequency modulated CO2laser pulse as step excitation source are designed.The measured results show that, when the temperature of constant temperature area of the static sensitivity calibration device is 1 721℃and the impact resistance of the sensor is up to above 50 MPa, the temperature measured by the sensor is 2802℃.When the CO2laser pulse is used as a high temperature step input signal at 1 500℃, the time constant measured by the sensor is μs order of magnitude.

Key words:apparatus and instruments technology; Ta-ZrO2thin film; dynamic characteristic; transient ultra-high temperature; impact-resistant capacity; measurement

作者简介:郝晓剑(1969—),女,教授。E-mail:haoxiaojian2012@126.com

基金项目:国家自然科学基金项目(61473267);国防技术基础科研项目(JSJC2013408C009)

收稿日期:2015-03-22

DOI:10.3969/ j.issn.1000-1093.2016.02.025

中图分类号:TP212.11

文献标志码:A

文章编号:1000-1093(2016)02-0373-06