摘 要:在介绍一种利用钽酸锂热释电探测器实现的实用化双波长光纤测温仪的基础上,着重讨论了反射辐射、探测器周围环境的热辐射、仪器工作波长的带宽,以及光路中选择性吸收气体的光谱吸收等多种因素对仪器测温精度的影响,并提出了相应的抑制措施。实验表明,采取相应的抗干扰措施后,在系统要求的测温范围400—1360℃内,其测温精度符合设计要求。
1 引 言
已有多人研究过多种辐射测温系统[1,2]。但无论是被动式辐射测温系统[3,4],还是主动式辐射测温系统[5],其测温精度都受仪器的工作波长、工作波长的带宽、温度分辨力、测温灵敏度及相对测温灵敏度、被测温度、环境的辐射与反射、待测物体的发射率与表面状态、探测器系统本身的辐射以及环境温度等多种因素的影响[6,7,8]。如何有效地抑制各种干扰,最大限度的提高其测温精度与测温灵敏度,一直是各种实时测温系统研究的重要内容。
就采用热电器件实现的实用化双波长实时测温系统[9]而言,作者等人已讨论了仪器的工作波长与其温度分辨力及测温灵敏度等之间的关系[9],本文则分析反射辐射、探测器周围环境的热辐射(环境温度)、工作波长的带宽以及在光路中选择性吸收气体的光谱吸收等因素对仪器测温精度的影响,并研究为克服这种影响所采取的措施。
2 仪器结构与测温原理
2.1 仪器结构
仪器的原理结构简图见图1,主要由光学接收系统(包括透镜、斩波器、多模光纤、扰摸器、Y型耦合器、窄带干涉滤光片及钽酸锂热释电探测器等)、信号放大与处理系统(包括前置放大与选频放大电路、除法电路、模_数转换电路及单片机系统等)和显示系统三部分组成。
宝石透镜收集到的热辐射,经调制后被聚焦到光纤的端面上,两者的数值孔径相匹配。辐射光沿芯径为200μm的多模光纤传输,被由相同光纤制成的定向3dB耦合器分为两路,再由带宽相同、中心波长不同的两块窄带干涉滤光片滤光后分别经由钽酸锂热释电探测器构成的光电转换系统转变成电信号。此电信号再经前置放大、选频放大、相除、模_数转换后送入单片机中进行必要的数据处理。
2.2 测温原理
透过滤光片6到达探测器8的辐射能Pλ1为
式中D为宝石透镜的通光口径;f′为其焦距;τ0为大气的衰减系数;A为探测器的灵敏元面积;η为调制系数;Dλ1、Dλ2分别为窄带干涉滤光片对波长为λ1、λ2的光的透过率;ελ1、ελ2分别为温度为T的待测目标在波长λ1、λ2处的光谱发射率;τλ1、τλ2分别为光学系统对波长为λ1、λ2的光的总透过率;Lλ为温度为T的黑体在波长λ处的单色辐出度;λ1、λ2分别为两个测量点处的波长,Δλ为测量点处的波长带宽。这里已假定,在极窄的波长带宽内,ελ1、ελ2、τλ1、τλ2、Dλ1及Dλ2均与波长无关。
式(1)、式(2)相除,并令
式中k为Boltzmann常数;h为Planck常数;c为光速。实际应用时,利用式(4)绘制出R(T)~T曲线,测得R值后利用查表法即可求得温度T。
当λ1、λ2相距不远时,为简化分析,可取Dλ1=Dλ2,ελ1=ελ2,τλ1=τλ2。据此,可将式(4)改写为
3 影响测温精度的几个因素
3.1 反射辐射
如不考虑探测器系统本身的辐射及环境温度的影响,则探测器接收到的、来自探测方向的热辐射,仅由待测目标自身的热辐射和待测目标对背景目标辐射的反射(反射辐射)这两部分组成[10,11]。设特测目标表面的温度为T0,背景目标的温度为Ts,则探测器接收到的热辐射为
这里,为简单起见,在探测方向上,将背景目标看成了黑体;同时还假定,背景目标的辐射光只需一次反射即进入探测器。式(7)中,当λ=λ1时对应于Pλ1,λ=λ2时对应于Pλ2。为简化分析,依然取Dλ1= Dλ2,ελ1=ελ2=ελ,τλ1=τλ2。利用式(3)、(7),可以得到
取ελ= 0·54、λ1=2·1μm、λ2= 2·3μm、Δλ=20nm进行定量分析。利用(6)、(8)两式,在不同的待测温度T下作出的测温不确定度ΔT(此处的“测温不确定度”定义为“背景目标的辐射存在时的测量温度与背景目标的辐射不存在时的测量温度之差”)随背景目标温度Ts的变化曲线、以及在673~1473K的测温范围内、于不同的背景目标温度Ts下作出的测温不确定度ΔT随被测温度T的变化曲线,分别如图2、3所示。由图2、图3可以看出,(1)当待测温度低于背景目标的温度时,背景目标的辐射对测温不确定度的贡献较大(例如,当背景目标的温度Ts=1200K时,对于T=798K的待测温度而言,最多可引入45.11%的测温不确定度);(2)即使待测温度高于背景目标的温度,背景目标的辐射对测温精度的影响,在某些情况下仍不可忽略。因此,必须采取必要的措施对背景目标的辐射对仪器测温精度的影响予以抑制。
对于实际应用,待测温度低于背景目标温度的场合时时存在。因此必须采取适当的措施来抑制反射辐射对仪器测温精度产生的影响。在本仪器中,作者等采取的措施是:(1)采用窄带干涉滤光片。这是滤出测量用窄带光辐射、并尽可能多的滤除反射辐射等杂散光辐射最重要的措施;(2)通过建立探测器的温度分辨力、仪器的测温灵敏度与仪器的工作波长、待测目标的温度、测量范围等之间的关系,选择最为合适的仪器工作波长。这是保证仪器具有足够的温度分辨力及测温灵敏度的重要措施;(3)将探头正对待测表面,并加设遮蔽板,以尽可能多地减少背景目标的辐射对仪器测温精度的影响。这是限制杂散光辐射进入探测器系统、提高测温精度的最重要的方法;等等。计算表明,通过这些措施的采用,可将反射辐射对测温精度的影响降到可以忽略不计的程度。
仅以(3)为例进行简单的计算说明。加设遮蔽板后,设反射辐射在待测面与遮蔽板之间需经过N次反射才能进入探测器。此时,式(7)应修正为
式中γλ为遮蔽板对反射辐射的反射率。不失一般性,仅考虑在遮蔽板上的反射为全反射、即γλ=1的情形。此时,式(9)可简化为
以较少的反射次数(这里取N =8)进行计算,并取待测面的光谱发射率ελ=0·54。在不同的背景目标温度Ts下于673~1473K的测温范围内,由式(6)、(11)计算出的测温不确定度ΔT随待测温度T的变化曲线,如图4所示。将图4与图3比较后容易发现,加设遮蔽板后,可将反射辐射对仪器测温精度的影响大为降低(例如,即使背景辐射温度Ts=1200K,对于T=798K的待测温度而言,最多也只能引入1·86%的测温不确定度)。显然,在同样大小的遮蔽板下,将探头正对待测面,也有助于增加反射辐射在遮蔽板与待测面间的反射次数。因此,综合采取上述措施(3)后,即使背景目标的温度很高,也可将其对待测温精度的影响降低到非常小的程度。
3.2 探测器周围环境的热辐射
引起探测器响应的热辐射,由来自待测方向的辐射(含待测目标的辐射及待测目标对背景目标辐射的反射)及探测器系统本身的辐射等部分组成。其中,来自探测器系统本身的辐射又由来自探测器四周内壁的热辐射以及探测器周环境的热辐射等多种辐射组成。
为便于讨论,同时又不失一般性,这里仅考虑探测器周围环境的热辐射(即,环境温度)对仪器测温精度的影响。设环境温度为T′,其辐出度可写成
式中ελ′是温度为T′的环境在波长λ处的发射率;τλ′为光学系统对波长为λ的光的透过率;λ1′,λ2′分别为探测器的响应下限及上限。基于ελ′及τλ′均与波长λ无关的假设,可将式(13)简化为
式中,当λ=λ1时对应于第一路探测器、λ=λ2时对应于第二路探测器。因此,考虑探测器系统内的环境辐射后,第一路探测器接收到的辐射能Pλ1应为
为尽可能使问题简单化,同时又不失一般性,取ελ1=ελ2=ελ′,τλ1=τλ2=τλ′,则式(17)可简化为
取λ1′=0.4μm、λ2′=3.0μm代入式(18)进行计算。为便于分析和比较,这里,λ1、λ2及Δλ的取值与前面相同。利用式(6)及式(18),在不同的待测温度T下计算得到的测温不确定度(此处的“测温不确定度”定义为“考虑环境温度的干扰时测得的温度与不考虑环境温度的干扰时测得的温度之差”)随环境温度T′的变化曲线,如图5所示。
由图5显见,对于800K的待测温度,300K的环境温度即能引起0.31K的测温不确定度。因此为提高测温精度,需要采取必要的措施来抑制环境温度对仪器测温精度的影响。
通过电气补偿的方法可有效地消除环境辐射等对仪器测温精度的影响。显然,某一路探测器输出的信号V,应等于待测目标表面的热辐射V1与环境辐射等的信号V2之和,即
用一感温探测器置于探头前部内壁。此时,感温系统将产生一信号V2′。若将V2′叠加在V之上,并使其满足
3.3 系统工作波长的带宽
先考虑无任何干扰光进入探测器的情况。为分析上的方便,仍然假设Dλ1= Dλ2,τλ1=τλ2,ελ1=ελ2=ελ,且在λ1、λ2这两个波长点处足够宽的带宽内,ελ为常数。根据这些假设,作者等可以利用简化后的式(6)进行测量。
利用式(6)在不同的待测温度T下作出的测温不确定度ΔT随仪器工作波长带宽Δλ的变化曲线、以及在不同的波长带宽Δλ下作出的测温不确定度ΔT随被测温度T的变化曲线,分别如图6、7所示。
由图6可以看出,(1)当待测温度较低时,波长带宽越窄,则仪器的测温不确定度就越小,反之就越大(例如在T=700K时进行测量,当Δλ=5nm时ΔT=0·12K,而当Δλ= 95nm时ΔT=0·57K);(2)当待测温度较高时,波长带宽的变化对测温不确定度的影响也较大,但随着波长带宽的增大,波长带宽的变化对测温不确定度的影响则没有低温时明显。
由图7可以看出,(1)当波长带宽较窄时(Δλ≤30nm),仪器的测温不确定度随被测温度的增加而明显增大;(2)当Δλ较宽时(Δλ≥50nm),测温不确定度随波长带宽的增加有所减小,但在低温下却很大(例如在T=700K时进行测量,当Δλ=80nm时ΔT则有0·45K)。因此,在无任何干扰光进入探测器的情况要提高温度的测量精度,尤其是要提高低温的测量精度,波长带宽应越窄越好。
再考虑有干扰光(反射辐射)进入探测器的情况。此时探测器接收到的辐射应包括待测目标自身的热辐射和待测目标对周围目标热辐射的反射这两部分[10]。此时,测量应按式(6)、(8)进行。显然,波长带宽Δλ越大,进入探头的外界干扰光就越多,从而引入的测温不确定度也就越大。因此,从抗外界干扰光的角度出发,仪器的波长带宽Δλ应取得越窄越好[8,11]。
从这里的分析可以看出,若仅从仪器的测温不确定度的角度考虑,Δλ越小,则仪器总体上的测温不确定度就越小;但计算指出[9],当Δλ很小时,探头的温度分辨力很低,这也同样制约着测温精度的提高。本仪器要求准确测温的范围是400—1360℃,400℃下Δλ=10nm时,计算指出探头部分的温度分辨力ΔT约0·8K,显然难以满足测温不确定度的要求。因此,取Δλ=20nm作为仪器的波长带宽。此时,探头部分的温度分辨力约为0·1889K,无外界干扰光时的测温不确定度为0·14K,都满足设计要求。
3·4 光路中选择性吸收气体的光谱吸收
一般情况下,进入光路中的粉尘、水蒸汽以及其它一些选择性吸收气体如二氧化碳等,都会成为外界干扰而影响到仪器的测温精度。图8给出了在1·0~3·0μm内海平面300m长度的路径上大气的透射光谱曲线[2]。显见,在1·0~3·0μm内,只有波长位于1·0~1·1μm,1·2~1·3μm,1·5~1·8μm,2·0~2·4μm时才能避开CO2、H2O等的光谱吸收。因此当本仪器的工作波长取λ1= 2·1μm、λ2=2·3μm时,则既能避开水蒸气及二氧化碳等气体分子的光谱吸收,又能满足测量精度的要求。
4 结 论
本文分析了引起测温不确定度的若干因素,并对其进行了详细研究。进一步的工作正在进行之中。
参考文献:
[1] Khan M A, Allemand C, Eagar T W. Noncontact temperaturemeasurement I: interpolation based techNIques[J]. Rev Sci In-strum, 1991, 62(2):392—402.
[2] Hahn J W, Rhee C. Reference wavelength method for a two_colorpyrometer[J]. Appl Opt, 1987, 26(24):5276—5279.
[3] Hunter G B, Allehand C D, Eager T W. Multiwavelength pyrome-ter[J]. Opt Eng, 1985, 24(6): 1081—1085.
[4] Dewitt D P. Inferring temperature from optical radiation measure-ment[J]. Opt Eng, 1986, 25(4):596—601.
[5] Krivtzum V, Grass B, Hergenroder R, et al. Temperature mea-surement of liquids by differential absorption of two diode laser: ap-plication of contactless optical detection in isotachophoresis[J]. Ap-pl Spectro, 2001, 55(9):1251—1258.
[6] Hahn J W, Rhee C C. Reference wavelength method for a two_col-or pyrometer[J]. Appl Opt, 1987, 26(24):5276—5279.
[7] Hunter G B, Allehand C D, Eager T W. Multiwavelength pyrome-ter[J]. Opt Eng, 1985, 24(6): 1081—1085.
[8] Tamura Y, Tatsuwaki M, Sugimura T, et al. Temperature mea-surement of steel in the furnace[A]. Temperature, Its Measure-ment and Control in Science and Industry[C]. New York: Ameri-can Institute of Physics, 1982, 5:505—512.
[9]施德恒,陈玉科,刘玉芳,等.一种采用热电器件的实用化双波长高精度光纤测温仪[J].计量学报,2004, 25(3):223—227.
[10]施德恒,刘玉芳,孙金锋,等.反射辐射和探测器本身的辐射对实时测温系统测温精度的影响及其抑制[J].中国激光,2004,31(1):105—110.
[11] Coates P B. Analytic estimation of systematic errors in photoelec-tric pyrometry[J]. High Temperatures_High Pressures, 1985, 17(6):507—518.
基金项目:国家自然科学基金(60577050);河南省自然科学基础研究计划(03140031);河南省自然科学基金(0511014300)
作者简介:施德恒(1964_),男,信阳师范大学教授,博士,从事光电子技术与应用研究。
E_mail:scattering@sina.com.cn
