摘要：根据测量所要求的动态范围、线性度、灵敏度，通过数值计算得出落管中双波长温度测量中的工作波长及带宽的最佳范围，结合实际情况最终确定工作波长为 1.4 μm 和 1.55 μm，其带宽均为 0.03μm。
引言
落管是一种在地面模拟空间微重力环境的实验设备，主要用来研究金属和合金在微重力和无容器环境下的过冷快速凝固研究。它由一个垂直的管体以及顶部的试样熔融室和底部的试样收集室组成，并配有其他辅助设施。其中落管中的温度测量系统对研究材料深过冷过程中的热物理性质具有重要意义。实验中样品的直径很小，在落管中下落时运动速度和温度变化都很快，要动态的测出样品的温度困难较大。这种情况下采用辐射测温方法成为唯一的选择。而双波长测温方法可以克服物体发射率以及被测物体运动的影响因而在运动粒子的温度测量中得到广泛应用[1,2]，测温过程中波长的选择非常关键，在理论和方法上都引起了重视[3～5]。在落管测温的过程中，在要求的测温范围内，从测温曲线的动态范围、灵敏度、线性以及探测器光谱响应等方面综合考虑，采用数值计算的办法确定出两个波长λ1和λ2的取值范围。然后根据实验中结构、安装以及周围环境的影响最终确定测量波长及带宽，在实验中取得了较好的效果。
1 基本原理
落管中双波长测温的结构如图 1 所示，样品发射的热辐射被 Y 型光纤束收集分成两路，再分别经过滤波片和光电探测器件进行信号处理，由数据采集系统将测量结果送入计算机进一步处理。
假设实验中球状样品的直径为 R，光纤端面直径为 D，样品到光纤面距离为 L，可以计算出样品辐射到光纤端面的通量Ф为[6]：
式中M为黑体辐出度:
M(λ,T)为黑体光谱辐出度，由普朗克公式给出。
式中：λ是波长（μm）；T 是绝对温度（K）；c1（第一辐射常数）＝(3.7415±0.0003)×10－4（W μm2）；c2（第二辐射常数）＝(1.43879±0.00019)×104（μm K）。
双波长测温的基本原理是测量温度由两路光辐射强度的比值决定。比值 R 由下式表示：
其中λ1、δλ1和λ2、δλ2分别为两个滤波片的中心波长和带宽。由(4)式可知温度 T 与辐出度比值 R(T)成单值函数关系，即由 R(T)可以唯一的确定温度 T。对于实际物体还需考虑发射率的影响，但只要两个波长选的比较接近发射率就近似相等，测量误差一般就很小。
2 测温系统参数的最佳选择
对于辐射温度传感器一般要求：1）在测温仪的量程下限，所用的传感器有准确的输出信号；2）当温度变化时，传感器的输出信号有很明显的变化，即测量灵敏度高；3）在测温仪的量程上限，传感器工作在非饱和区。这几点都与波长的选取有关。由(4)式也可以看出，比值 R 与温度及参数λ1、δλ1和λ2、δλ2有关。为便于研究，对式(4)进行简化，设λ1＝λ2＋λ，δλ1＝δλ2其中 λ为两波长间隔，δλ滤波片为带宽。然后通过数值计算的方法确定系统的最佳参数。
2.1 λ1的选取
假定 λ＝0.2 μm，δλ＝0.02 μm，根据数值计算，图 2绘出了 R 与 T 的关系曲线，图中 1～9 曲线所对应的λ1分别为 0.5, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.5,2.0, 2.4, 2.8 μm。图 3 是 R 与λ1的关系，图中 1～5 曲线对应的 T 为 1000, 1500, 2000,2500, 3000 K。实际中测温范围是 1000～3000 K，根据线性和动态范围，可得知λ1在0.8～2.0 μm 内较好。
测量中还因满足一定的测量灵敏度，其定义为 S＝dR/dT，即表示 T 变化 1 K 时 R的变化量。S 与 T 的关系如图4 所示，图中 1～8 曲线对应λ1分别为 0.5, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2,1.5, 2.0, 2.4 μm。图 5 表示 S与λ的关系，1～5 曲线对应的T 为 1000, 1500, 2000, 2500,3000 K。由图 4 和 5 可知，在较低温度段，λ1取较长波长时，曲线的灵敏度较高；对于高温段，则λ1取较短波长时，曲线的灵敏度较高。实验中采用 12 位的 A/D 转换器，为了在实验中获得恰当的灵敏度，λ1应取 0.8～1.5 μm。
2.2 δλ的选取
滤波片的带宽δλ也是一个重要的参量，图 6 表示δλ对 R 和 S 的影响，图中曲线 1～4 表示δλ分别为 0.01, 0.02,0.05, 0.08μm时的情况。从图中可以看出sa在此范围变化时对R和T的影响不大。在实验中sa不宜取得太大，也不宜取得太小，如果取得太大结果的误差较大，另一方面由于样品本身体积小辐射功率很小，如果δλ取得太小将会使得探测器接收的功率太小而无法辨认。在要求的测温范围内，1000 K 时的样品辐射功率最小，已知光电器件的等效噪声功率，利用式(1)中光纤端面接收到的辐射通量公式，代入各种参量，可以计算出滤波片的最小带宽为 0.018 μm。在实验中δλ取值为 0.03 μm。
2.3 λ的选取
λ的选取就是确定λ2的值，从图 3和图 5 中可以看出 λ越大则两个波长处S 和 T 的差值也越大，另一方面双波长测温方法假定物体是灰体，事实上物体的发射率与波长有关，只有两处的波长差较小，才能使得测温的误差较小，因此Δ λ取值不能太大。但是滤波片有一定的带宽，Δ λ也不能太小，以取 0.1～0.2 μm较好，本装置中波长间隔Δ λ＝0.15 μm。
3 测量通路介质对测温波长的选择
测量通路介质吸收辐射源的辐射能量，致使传感器接受的辐射能量减小，造成测量误差。双波长测温在很大程度上能减小这种误差，但选择波长时还应避开测量通路中的介质的光谱吸收带。在落管测温实验中，落管内部抽真空或者充满惰性气体，因此不需要考虑气体的光谱吸收。另外实验中采用石英光纤束导光在近红外波段衰减较小，测温波长最好在此范围内选取。
4 总结
经过以上讨论可知，适当选取测温参数λ1、 λ和δλ，可使得 R 与温度 T 之间保持良好的单值关系和较高的测量灵敏度，并结合测量中的实际情况确定了测温波长为 1.4 μm 和 1.55 μm，带宽均为 0.03 μm。探测器件选用的是能在常温下使用且性价较高的硫化铅探头，在实验中取得了很好的效果。
参 考 文 献
[1] Jorgensen A, Zuiderwyk M. Two-color pyrometer measurement of the temperature of individual combusting particles[J].J.phys.E:Sci.Instrum. 1985.18:486-491.
[2] Muller B,Renz U. Development of a fast fiber-optic two-color pyrometer for temperature measurement of surfaces with varyingemissivities[J].Rev.Sci.Instrum.2001,72(8):3366-3374.
[3] Wang Y,Yao M,Liao Y. Selection of Optimal working wavelengths and bandwidths for dual-wavelength optical fiber pyrometer[J].Proceedings of theSPIE,1995,2594:75-80.
[4] 张友山. 双波段比色辐射温度计的波长选择[J].红外与毫米波学报, 1993, 12(4):324-328.
[5] 俞伦鹏, 彭瑞欣. 辐射测温仪工作波长的选择方法[J].宇航计测技术, 1998, 18(2):37-40.
[6] 白长城等. 红外物理[M]. 北京:电子工业出版社, 1989.3: 26-28.
本文作者：唐 韬 李恩普 吴长江
