现代检测技术论文北京科技大学研究生必修课

现代检测技术课论文

光纤传感技术在轧机中的应用

学院：机械工程学院班级：姓名：

机研111陈欣欣学号：s201108262011年12月日

【摘要】我校机械装备控制系主要研究对象为轧钢机械设备，无论其振动，板型控制，控轧控冷，运动仿真都离不开现代检测技术的支持，而许多钢板都可采用控轧控冷工艺生产，某些方面其性能已经超过热处理钢板。我导师的主要研究方向是：金属材料控冷强韧化；CFD仿真及应用；气动噪声控制研究。结合梯队及导师的研究方向，本文主要介绍光纤传感器光纤温度传感器检测轧件温度。【关键字】：轧机、光纤传感器、光纤温度传感器、轧件【正文】：

1、轧制设备配套检测仪表的需求

轧工艺中,温度是很重要的检测要素。轧前、轧制中、冷却后,以及卷取时的轧件温度检测和控制是非常重要的,是目前带钢质量管理中不可缺少的重要环节。轧件的温度是表征轧件冷热程度的物理量，它不能直接地测量，只能通过测量物质的某些物理特性的变化量间接地获得温度，因此我们需要引入一种特殊的测量方法来测量轧件的温度。如何正确测量轧件的温度，直接影响到成品质量。因此，测量轧件的温度是轧机参数测量中至关重要的环节[1]。

现代化宽带钢热连轧机的板宽巳达2200mm，轧制速度达25m/s。因此,各种传感器首先应具有与轧制速度相适应的响应逮度。其次,热轧中存在的水滴、水蒸气、表面氧化膜等将对检测值产生很大影响。如钢板上水分和蒸汽层的波动会直接产生测量误差。钢板上方空气密度的变化也能成为测量误差的重要因素，特别是当前在由点测量向面（分布）测量或移动点测量发展的情况下，对检测仪表的技术要求愈来愈高。

上述检测项目的检测仪表，目前有不少尚未在生产中应用，需要今后考虑开发；有些虽然在使用过程中，但在精度、功能、维护等方面尚存在一定的问题，今后仍需不断完善。

2、轧制工艺中的温度检测

2.1目前常用的轧件温度检测方法

在轧制过程中采用的ACC冷却装置是采用高密集管流对钢板进行热处理的大型装备，主要由上集管、下集管、侧吹装置、前后水封和气封等基本设备组成，冷却区入口、出口处分别装有热金属红外测温仪

[3]。其结构布置如图1所示。

其中，用于测温的是红外洲温仪(型号2M。07B—[50c)，其红外探测器是将红外辐射能转换为电能的一种传感器G。探测器是利用入肘的辐射能引起材料的温升，然后测定湿度变化来确定入射辐射能的大小c将电信号经调制放大后接入A／D板。

2.2光纤温度传感器在检测轧件温度中的应用

光纤测温技术是在近十多年才发展起来的新技术，目前，这一技术仍处于研究发展和逐步措广实用的阶段。在某些传统方法难以解决的测温场合，已逐渐显露出它的某些优异特性。

光纤温度传感器是采用光纤作为敏感元件或能量传铅介质而构成的新型测温传感器，它有接触式和非接触式等多种型式。

3光纤传感器

3.1光纤传感器的分类

光纤传感器按照光纤的功能可分为两大类。一类为功能型或传感型光纤传感器FF(FunctionFiberOpticSensor)，另一类为非功能型或传光型光纤传感器

NFF(Non-functionFiberOpticSensor)[2]。

功能型光纤传感器的光纤不仅起到传输光波的作用，更重要得是被测对象通过光纤中的光波发生作用，感知被测参数的变化，并将这些参数的检测转化为光强的检测。即信息的获取和传输都在光纤之中，具有传感一体的特点。图2为功能型光纤传感器的工作原理。

图2功能型光纤传感器原理在功能型光纤传感器中，光纤不仅作为光波的传播媒介，还可以用来感测表征光波特征的参量，如相位、振幅、波长、模式、偏振态等在传播中随外界因素，如压力、温度、电流、磁场、转动等的变化，即同时为传感元件。其测量灵敏度较高，但易受外界环境的影响，需要采用特殊的光纤探头，一般只能用单模光导纤维制成。非功能型光纤传感器中的光纤只作为传光介质，起信息传递作用，对外界信息的感知通过其他的敏感元件来实现。被测对象的信息通过光波直接与被测对象或通过中间介质的相互作用调制到辐射波长上，主要用于传递光波的能量或用相关光束传递图像。图3为非功能型光纤传感器工作原理。

图3非功能型光纤传感器原理非功能型光纤传感器只起到传光作用，其性能很大程度上依赖于从光纤进入传感器的光功率。可充分利用现有的优质敏感元件来提高传感器的灵敏度，同时采用纤芯直径较大、传递光通量大且受外界环境影响小的多模光纤。

3.2光纤传感器的工作原理及特点

光纤携带光信号在传输过程中，由于外界的如物理、化学、生物量的影响，使得光信号的某一性质(强度、相位、偏振方向等)发生变化，这种变化与外界量保持一定的关系，因此检测光信号的参数变化就可以得到外界量的信息。其工作原理如图3所示。

图3光纤传感器工作原理光纤传感器(FiberOpticSensor)近二十年来的发展，人们相继发现和提出了许多传感机制和方法使光纤传感器的应用范围越来越广。这些参量包括物理、化学、电学以及生物医学等各个领域。

与传统的传感器相比，光纤传感器具有许多无可比拟的特点[5]：

1)、光纤柔软、芯细、可做成任意形状的传感器及阵列以实现多点、分布式传感，适于长距离的在线测量。光纤传输损耗小，可长距离传输。化学性质稳定，可将传感探头放入恶劣或危险的环境，由光纤引出信号，在远距离安全地带进行遥控遥测。

2)、电绝缘性能优良，抗电磁干扰性好，适合于测量易燃易爆气体或工作于易燃环境以及强电磁干扰环境。

3)、光纤传感器用光源功率一般很低，不像电传感器，电火花可能引起气体爆炸。

4)、传感单元结构简单紧凑、体积小、重量轻、灵敏度高、频带宽、动态范围大、稳定可靠。

5)、信息容量大，易于组成光纤传感网络。光纤的巨大带宽使得它可以传输大量信息。采用空分(SDM)、时分(TDM)以及波分(WDM)等多路复用技术，可以使多个光纤传感器共用同一根光纤、同一光源和同一信号检测设备，大大降低系统成本。

6)、光纤传感器系统易于和计算机连接，以实现多功能、智能化的要求。且是无源器件，对被测对象不产生影响。

由于光纤传感器具有这些独特的优点，光纤传感器的开发一直受到各国相关学术界和研究机构的高度重视。从上世纪60年代中期至今的30多年时间里已研制成百余种光纤传感器。目前光纤传感器可实现对位移、压力、速度、加速度、应变、电压、电流、浓度、温度、流量、转矩以及磁、声、光、射线等70多种物理量的检测。已触及国防军事、航空航天、工农矿业、能源环保、生物医学等各个领域，许多难以解决的测量问题都可以借助光纤传感器技术找到答案。

4、光纤温度传感器检测轧件温度

光纤传感器由光源激励、光源、光纤(台敏感元件)、光检测器、光电转换及处理系统和各种连接件等部分构成。光纤传感器可分为功能型和非功能型两种型式，功能型传感器是利用光纤的各种特性，由光纤本身感受被测量的变化，光纤既是传翰介质，又是敏感元件；非功能型传感器又称传光型，由其他敏感元件感受被测量的变化。光纤仅作为光信号的传铅介质。光纤温度传感器具有动态范围大、灵敏度高、响应快、抗电磁干扰等优点，非常适用于等离子体沉积、高频电加热炉及高温热气流等领域的温度测量。

4.1光纤温度传感器的工作原理

在各种光纤温度传感器中,有两类具有特别重要的应用价值；根据普朗克辐射定律,利用物体高温热辐射进行检测的辐射型光纤温度传感器和利用物体荧光寿命与温度对应关系的荧光寿命检测型光纤温度传感器。由于物体的热辐射随温度的升高呈近指数型增长，辐射型光纤温度传感器在高温下具有很高的灵敏度，但无法应用于低温区域。相反，由于物体的荧光仅在低温区具有可检测的荧光温度特性，而在高温区则由于荧光淬灭以及辐射背景的增加而无法适用,因此荧光测温型光纤温度传感器适用于低温区的温度测量。上述两种光纤温度传感器如能有机地结合在一起，将能实现从低温到高温的大范围温度测量。利用单一光纤探头实现大范围测温具有重要的应用价值。

蓝宝石单晶光纤由于其极好的高温物理化学性能,非常适用于高温下光纤测温应用,现已成功地用作辐射型光纤温度传感器的光纤传感头。利用激光加热基座法(LHPG)单晶光纤生长技术,通过在蓝宝石单晶光纤的端部掺入Cr3+离

子，可以实现光激发下的荧光发射。通过荧光寿命的检测，可以测量所对应的温度。因此，这种温度传感器将实现从低温到高温的全程测温。蓝宝石单晶光纤温度传感器系统结构及工作原理如下图9所示。

图4蓝宝石单晶光纤温度传感器原理框图从室温到1800℃全程测温的蓝宝石单晶光纤温度传感器的系统结构框图如图4所示，系统主要包括端部掺杂的蓝宝石单晶光纤传感头、Y型石英光纤传导束、超高亮发光二极管(LED)及驱动电路、光电探测器、荧光信号处理系统和辐射信号处理系统。

系统的工作原理为:在低温区(400℃以下)，辐射信号较弱，系统开启发光二极管(LED)使荧光测温系统工作。发光二极管发射调制的激励光，经聚光镜耦合到Y型光纤的分支端，由Y型光纤并通过光纤耦合器耦合到蓝宝石光纤温度传感头。光纤传感头端部受激励光激发而发射荧光，荧光信号由蓝宝石光纤导出，并通过光纤耦合器从Y型光纤的另一分支端射出，由光电探测器接收。光电探测器输出的光信号经放大后由荧光信号处理系统处理，计算荧光寿命并由此得到所测温度值。而在高温区(400℃以上)辐射信号足够强，辐射测温系统工作，发光二极管关闭。辐射信号通过蓝宝石光纤并通过Y型光纤输出，由探测器转换成电信号，系统通过检测辐射信号强度计算得到所测温度。[7]4.2蓝宝石光纤温度传感器安装前需要考虑的问题[4]光纤传感头端部由Cr3+离子掺杂，实现光激励时的荧光发射。掺杂部分光纤长度为8～10mm。端部光纤的外表面同时镀覆黑体腔，用于辐射测温。(这时，光纤黑体腔长度与直径之比大于10，可以满足黑体腔表观辐射率恒定的要求)。值得注意的是，避免或减少荧光发射部分与热辐射部分的相互干扰，对保证整个系统的性能十分重要。经过分析，可以发现这种干扰主要表现为:

1)、荧光信号中辐射背景信号对荧光寿命检测精度的影响。

2)、光纤表面镀覆对荧光强度的影响。

3)、光纤内Cr3+离子掺杂对黑体腔热辐射信号的影响。以下分别加以说明：

首先考虑辐射背景对荧光寿命检测精度的影响。由于热辐射信号强度遵守普朗克定律呈近指数变化，在荧光测温工作的低温区内，辐射背景很小，而且为未加调制的直流信号，相对于周期调制的荧光信号，很容易用滤波电路加以消除，因此其影响可以忽略。

其次,考虑光纤端部表面镀覆对荧光信号强度的影响。光纤内的掺杂离子在受激发时，向空间各方向发出荧光，但只有立体角满足光纤数值孔径的那部分荧光，才能通过光纤表面的全反射由光纤导出。经过分析,可以发现确有部分荧光由于端部表面的镀覆而被吸收，且影响较大(强度降低约60%)。为保证尽可能大的信噪比，应特意加长端部掺杂光纤长度，使超过镀覆长度2～3mm，才能有效地消除表面镀覆对荧光强度的影响。

再次,考虑离子掺杂对辐射信号的影响。实际上，由于高温下能带的交叠，离子吸收的影响越来越小，可以忽略离子掺杂对热辐射光谱的影响。

5结论

光纤温度传感作为一种高新技术在国内已经开始推广应用。目前，国内的研制单位不多，但是已经有光纤温度传感的正式产品通过了权威机构组织的科技成果技术鉴定，并已在机械、电力等领域得到应用。相信随着对该技术的熟悉了解，光纤技术必将对社会各个行业做出贡献。

【参考文献】:

[1]孟令启、李成主等.中厚板轧机测量测试与力学行为建模.郑州:黄河水利

出版社2006年8月.

[2]周杏鹏等编著.现代检测技术.北京：高等教育出版社.2004年1月.[3]李伟良等.分布式光纤温度传感检测技术及其应用广东电力第十五卷第四

期.2002年8月.

[4]佐藤宗纯著、郭秀芬译.光纤检测技术的应用.日·电子技术综合研究所

第2期.

[5]JianliZ.Self-referencedintensitymodulatedfiberopticdisplacement

sensor.OpticalEngineering,1999年:227-232.[6]

王玉田、郑龙江、胡春海等.光电子学与光纤传感器技术.北京:国防工业出版社.2003年:217-245.

[7]沈永行著.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

报第20卷第1期1998年10月.