一、引言
　　在工程實際應(yīng)用中，有許多場合需對超過1000℃的高溫進(jìn)行測試，而且某些環(huán)境中還伴有強沖擊的瞬態(tài)變化過程。盡管目前已有許多高溫研究成果，但對于像火藥燃燒時的溫度、各種發(fā)動機汽缸的溫度等變化的高溫數(shù)據(jù)很難通過傳統(tǒng)的熱響應(yīng)率較慢的熱電偶得到，并且所測結(jié)果是否能準(zhǔn)確反映客觀對象的真實情況也是一個棘手的問題。

六、七十年代，輻射測溫技術(shù)有了飛速的發(fā)展，該技術(shù)具有能測量運動物體和不破壞被測對象的溫度場等特點，可用于瞬態(tài)溫度的測量。國內(nèi)外許多研究機構(gòu)對此進(jìn)行了研究，并開發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品。美國vanzette公司首先生產(chǎn)了帶光導(dǎo)纖維探頭的輻射溫度計。 r.r.dils 的專利u.s.patent #4、750、139介紹了一種用藍(lán)寶石光導(dǎo)棒溫度傳感器測量高溫的方法。盡管已經(jīng)有了商業(yè)化產(chǎn)品，但大部分傳感器測溫范圍低，響應(yīng)速度慢，遠(yuǎn)不能滿足瞬態(tài)溫度測量的要求，而且價格昂貴。

在國內(nèi)，清華大學(xué)、浙江大學(xué)及西安電子科技大學(xué)等高校也開展了光纖高溫傳感器方面的研究。清華大學(xué)周炳琨等人于1989年1月申請了光纖黑體腔溫度傳感器專利。863計劃項目之一，浙江大學(xué)物理系沈永行等人所研制的藍(lán)寶石黑體腔光纖傳感器，采用高發(fā)射率的陶瓷高溫?zé)Y(jié)制成的微型光纖感溫腔，具有良好的長期穩(wěn)定性和較高的測試精度；其靜態(tài)測溫范圍為500℃～1800℃，測溫精度優(yōu)于±0.2%，已開始少量應(yīng)用，并正在進(jìn)一步推廣之中。但總的來說，國內(nèi)的工作多集中在靜態(tài)高溫測試中，動態(tài)測試研究較少。

基于plank黑體輻射定律，我們以鍍有高溫陶瓷的藍(lán)寶石光纖為黑體高溫傳感器構(gòu)建了高溫測試系統(tǒng)，并測試了運動乙炔焰的溫度。該結(jié)果對解決目前諸多工程實際應(yīng)用中瞬態(tài)高溫測試難題具有明顯地意義。

二、系統(tǒng)原理
該系統(tǒng)由藍(lán)寶石黑體溫度傳感器、st連接器、錐形石英光纖、耦合器、濾光片、光纖和光電探測器組成，其結(jié)構(gòu)見圖1。它的工作原理如下：當(dāng)藍(lán)寶石黑體溫度傳感器靠近某高溫輻射源時，熱容很小的黑體溫度傳感器迅速達(dá)到熱平衡，由黑體輻射理論可知，其開始向藍(lán)寶石光纖輻射熱信號。熱量輻射信號經(jīng)過錐形光纖和普通光纖長距離傳輸后接到光電探測器。藍(lán)寶石黑體溫度傳感器與錐形光纖通過st連接器相連，而帶通濾光片的耦合器則將錐形光纖同普通石英光纖連接并進(jìn)行濾光。這里，采用錐形光纖的目的是為了提高藍(lán)寶石黑體溫度傳感器輸出信號的傳輸效率。我們選用帶有尾纖和st接頭的硅混合集成fet-pin光電接收器件作為光電探測器，該探測器的連接電路原理圖和相對光譜靈敏度曲線如圖2所示，性能指標(biāo)如下：光譜響應(yīng)范圍0.5mm～1.1mm；暗電流小于400mv；響應(yīng)度大于2500mv/mv；脈沖相應(yīng)時間小于3.5ms；高可靠性st接頭，牢固的同軸封裝。光電探測器的輸出信號可接示波器或數(shù)據(jù)采集裝置。

三、理論分析和仿真
根據(jù) plank黑體輻射定律，光纖黑體腔置于溫度為t的區(qū)域時，其單色輻射通量為

(1)

式中，a—腔口黑體腔的面積；
λ—輻射光波長；
t—絕對溫度；
c1=3.74183×10-16 （w·m2）—第一輻射常數(shù)；
c2=1.43879×10-2（mk）—第二輻射常數(shù)。

設(shè)干涉濾光片的光譜響應(yīng)函數(shù)為f（λ），光電探測器（si pin管）的光譜響應(yīng)函數(shù)為d（λ），考慮到更一般的情況設(shè)傳感頭的單色發(fā)射率為εa（λ），干涉濾光片的中心波長為λ0，帶寬為δλ，輻射光信號經(jīng)光纖傳入硅光探測器后輸出的電壓為：

(2)

式中，η（λ）—光信號傳輸過程中光纖（包括藍(lán)寶石光纖和傳光光纖）的傳輸損耗，包括光纖耦合器和其它光學(xué)元件的插入損耗引起的輻射能損失，顯然η（λ）＜1。

當(dāng)干涉濾光片的帶寬很窄時，我們可以假設(shè)：η（λ）=η(λ0)，f（λ）=f(λ0)，d（λ）=d(λ0)，并代入式（2）可得光電探測器的電壓輸出為：

(3)

令 (4)

則有：

(5)

式中，r(t)—傳感器的輻射通量。

則(3)變?yōu)椋?/p>

(6)

根據(jù)公式(1)和(5)，可以得出公式(7)：

(7)

式中，r′(t) —傳感器考慮了感光面積的輻射通量。

從(4)式可知k是一個與溫度無關(guān)的常數(shù)，因此只需在單一溫度點下標(biāo)定即可�？山�(jīng)過計算機數(shù)值積分計算后得到，我們把各個溫度t對應(yīng)的r′(t)值作