摘要:文章综述了辐射测温技术发展历史、现状,从技术的层面,剖析了传统的辐射测温仪存在的问题,介绍了国内外在多光谱辐射测温技术方面研究热点,同时展望了未来的发展方向。针对辐射测温领域中的理论、仪器、标定及应用四大方向进行了较为详细地分析和总结。
1 引言
温度是确定物质状态的最重要参数之一,它的测量与控制在国防、军事、科学实验及工农业生产中具有十分重要的作用。特别是高温测量在航天、材料、能源、冶金等领域中占有重要地位。
温度的测量方法大致可分为两种:接触法和非接触法。在接触测温法中,热电偶和热电阻温度计应用最为广泛,该方法的优点是设备和操作简单,测得的是物体的真实温度等,其缺点是 动态特性差,由于要接触被测物体,故对被测物体的温度分布有影响,且不能应用于甚高温测量。目前非接触测温法仍以辐射测温法为主,在过去相当长的时间里,辐射测温法的可靠性和抗 干扰性都不太高,且测量范围往往仅限于较高温度。但近二十多年,由于电子技术的飞快发展,半导体材料的进步及计算机技术的发展与应用,又由于辐射温度计具有无测量上限,响应速度 快及不接触被测对象,因而不影响被测温场等特点,辐射测温技术得到长足的进步和发展。仪器的制造水平、性能指标已有了显著提高,辐射真温测量研究、标定技术研究及应用技术研究方面亦取得了丰硕成果。
辐射测温仪从仪器的工作方式上分,可分为:(1)亮度(单色)温度计;(2)比色(双色)温度计;(3)宽带(全波长或红外)温度计;(4)多波长高温计等。从仪器的使用方式上分,可分为:(1)便携式;(2)掌上(手持)式;(3)固定安装式等。从能量传输方式上分又可分为:光纤式、接触式和一般光学式等。从目标的多少又可分成:单目标、线目标和面目标等。
2 辐射测温技术的发展历史与现状
在仪器制造方面,辐射温度计的发展经历了以下几个阶段:隐丝式光学高温计[1]阶段;用光电倍增管作为检测器的光电高温计[2]阶段;以及用硅光电二极管、碲镉汞等作为检测器的光学测量和光电精密测温[3]阶段。
隐丝式光学高温计出现在本世纪初,直到现在仍在高温(800℃以上)测量领域中被使用。1927年国际温标采用此种高温计作为金点以上的温度复现及传递标准器。它的工作原理是在峰值为650nm并在尽可能小的带宽内,使目标与钨灯灯丝的亮度平衡,灯丝消隐在目标中。由于要人眼比较亮度平衡,手动调节灯丝电流,因此,人为误差大,不适于自动控制系统。
60年代中期,出现了用光电倍增管作为检测器的光电高温计。它是以光电倍增管替代隐丝式光学高温计中的人眼来作亮度比较,具有较高的灵敏度和精度,且不需要人参与,因而被美 国标准局NBS等国家实验室用来复现国际实用温标。我国也曾采用此种检测元件研制成比较式的基准光电比较仪及高温计式的标准光电高温计,用以复现金点以上的国标温标及传递800~2000℃的高温实用温标。
在70年代初,Witherell和Faulhaber[4]指出:硅光电探测器稳定性、线性度及灵敏度优良、结构牢固、寿命长、且价格适中,适合于精密光度测量,同时Ruffino[5]在噪声和检测数据方面证明了硅光电二级管应用到高分辨率温度计的可能性。不久,在意大利国家计量院IMGC制成了用硅光电二极管作为检测元件的高精度光电高温计。
与此同时,辐射温度计的工作波长亦从单波长逐步发展为两色(比色)和多色,从短波到长波,仪器的功能亦逐步丰富和智能化。仪器的测量精度、响应速度、稳定性、分辨率都达到了相当高的水平[6],测温范围亦从以往的中高温延伸到室温或更低温度。
3 传统辐射测温仪存在的共性问题
目前人们经常使用的单波长光学(电)高温计、比色温度计及全波长(或带宽)辐射温度计等,测得的不是物体的真实温度,只是分别为亮度温度,颜色温度及辐射温度等。必须知道物体 的另一参数———材料发射率(黑度系数),才可求得物体真实温度。众所周知,物体的材料发射率不仅与物体的组份,其表面状态及考察波长有关,还与它所处的温度有关。一般不易在线测 量,且易随表面状态改变而改变,因此,用辐射法测量物体真温是辐射测温领域中重要而困难的研究课题,其研究状况亦成了表征辐射测温技术发展的一重要方面。
辐射法测量物体真温是各国学者一直关心的问题,从辐射温度计诞生时就开始,至今还在大力开展研究。目前比较成功的方法有6种,下面就依次做一下介绍。
第1种方法:发射率修正法[7]。该方法需事先利用其它设备测得物体的材料发射率,再将高温计结果据此发射率数据进行修正而得到物体真温。由于发射率在线变化及随温度不同而 改变,因此,该方法的精度不高。
第2种方法:减小发射率影响法(或称逼近黑体法)。即利用一定措施使被测表面的有效发射率增加且接近1。常用的方案如图1和图2所示。图1为收集辐射反射法[8],它适于大平板物体,如轧板等。但它要靠近被测物体,粉尘、水汽影响较大,亦不适于过高的温度。图2为特制试样法[9],常常用于科学实验中,由于要破坏试样,不适于生产过程。
第3种方法为辅助源法(或称测量反射率法)[10]。即在线向目标投射一辐射照射,测量反射或散射信息,进而得到物体发射率和温度,图3为Gardner典型仪器。图3中由石英碘灯发出的光线被调制后(频率为f)以100入射角入射到目标上,其镜反射光线和目标辐射光线一起通过调制盘外圈光栏变成2f调制光,经滤光片后到达硅光电二极管探测器。光电二极管信号通过相敏检测电路分离获得目标辐射和镜反射信息,而碘灯的能量分布曲线由图中虚线部分事先测得,经过计算得到物体的反射率和物体的温度。但此方法仅适于抛光金属表面。
式(1)中p、n分别表示光线的水平和垂直偏振分量,I为光线强度,ρns为物面垂直分量的镜反射率。测量两个偏振分量的强度比即可获得被测物体反射率,从而得到物体的发射率和温 度。Murray[12]等的仪器如图4所示,此方法亦仅适用于抛光金属表面。
第5种方法为反射信息法,应用特殊的光学结构获取多次反射信息,进而得到发射率信息,最后得到真实温度[13]。
第6种为多光谱辐射测温法,即在一个仪器中制成多个光通道,利用多个光谱的物体辐射亮度测量信息,再经数据处理而得到物体的温度和材料光谱发射率。与前5种方法相比,该法不需辅助设备和附加信息,对被测对象亦无特殊要求,因而特别适合于高温、甚高温目标的真温及材料发射率的同时测量。
标定技术是辐射测温领域中又一项关键技术之一,在某些情况下,已严重地影响和限制了高温计的测量精度和应用范围。例如,在高温、甚高温区,高温计已有足够高的分辨率和信噪比,但由于高温标定源和标定方法的精度较低,直接影响了仪器的精度。因此研制高精度高温标定源和改善仪器标定方法是标定技术研究中的主攻方向。目前高温炉的温度上限已经提高到3500K,定点黑体辐射源亦覆盖了广阔温区,锡、铝、银、金、铜等金属凝固点黑体炉已产品化。有些学者已开始试制钯定点黑体炉。此外,美国和意大利的一些学者们正在用脉冲加热法获得钨、钼、铌、钛等高熔点金属的熔点辐射温度数据[14],为这些金属凝固点温度在将来的辐射温度计标定中应用做准备。在标定方法研究上,国际温标ITS-90,已把标准辐射温度计规定为中低温区(420℃以上)辐射温度计标定系统中与铂铑-铂热电偶并行使用的温度标准传递仪器[15],用以在不损失标定精度的同时,放宽对参比黑体炉的要求和降低因参比黑体炉性能评价不详而造成的标定误差。
另一个重要方面,各国学者正在逐步改变传统整百度点辐射温度计标定法和用衰减片法外推的做法,在实验中,已开始使用一点标定法[16]。例如,应用平均有效波长的一点标定法,应用参考波长一点标定法和基于波长函数的一点标定法等等。一点标定法不仅可以节省人力、物力,还可以解决高温、甚高温区的温度标定问题,待进一步研究后,定能推广使用。
在应用研究中,各国学者已逐步解决了环境接口问题,先后在冶金、冶炼;金属轧制、锻造与焊接;玻璃、陶瓷、塑料等工业过程中取得成功,正在向航天、航空及兵器、核能等尖端技术领域发展,取得了丰硕成果,在此限于篇幅不再一一详述。
4 多光谱辐射测温技术研究现状
为了实现目标表面真实温度的测量,国际上自20年代就开始研究(比色)高温计,在两个选定波长下测定目标的辐射亮度比,从而消除材料发射率的影响而得到其真实温度,此法对灰体 材料是较有效的,但对一般非灰体材料会造成较大的误差。
1954年Pyatt[17]建议使用3个波长的比色温度计,以得到发射率与波长的关系。1964年Reynolds[18]总结了早期多色(主要为比色)测温的情况,对单色、比色、及三色(比色思想)的精度进行了分析和比较。到70年代末80年代初兴起了多光谱辐射测温技术的热潮。1979年Cashdollar研制成功了3波长高温计,在0·8、0·9及1·0μm 3种工作波长下测量火焰及爆炸粉尘的温度,测量上限可至2000K,同时可用换滤光片方法形成4波长及6波长高温计。同年Svet等亦研制成4波长高温计用以测量物体表面真实温度,测温范围为300-3000K。Lyzenga和Ahrens于同年推出了6波长的温度测量装置,采用硅光电二极管作为0·48~0·8μm波长范围内的检测元件,用以测量冲击波后的物体真温,测温范围为:4000~8000K,精度可至2%。1981年Gardner及Jones等[19]研制成了6波长高温计,工作波长为0·75~1·65μm,测温范围为1000~1600K,精度为1%,他们应用该高温计测量了一系列金属表面的真温,使用ε(λ,T)=a0+a1λ假设,并采用非线性拟合技术计算温度,所得结果与最短两个波长构成的比色温度计的测量结果做了比对,他的结论为:如假设形式(发射率与波长关系)接近实际情况,多波长高温计所测温度系统误差小于1%,这个假设适用于氧化、未氧化的钢、铜、铝及氧化的不锈钢、铬镍铁合金表面,而不适用于铸铁、铂40%—铑合金及未氧化的不锈钢和铬镍铁表面。多波长高温计在测量钢、铝和铜表面时结果明显优于比色温度计。
1982年欧共体Babelot及美国Hoch等人[20]继续研究多波长高温计,并制成6波长高温计,采用光导纤维束分光,硅光电二极管作为探测器,用于材料热物性的快速动态测量,在5000K时分辨率为5K,并拟向10000K方向继续发展。同年Cashdollar在3色高温计基础上推出了6波长高温计,用于测量粉尘爆炸过程中粉尘粒子及气体的温度,使用PbSe探测器,6个工作波长分别为:1·57、2·30、3·84、4·42、4·57、5μm。
1986年欧共体及美国联合课题组的Hiernaut等人[21]研制成功了亚毫秒级6波长高温计,用于2000~5000K温区内真温和光谱发射率的同时测量,温度测量精度为0·5%,发射率测量精度为1-5%。同年他们又应用他们研制的6波长高温计,对钨、钽、钼等金属的熔点温度和光谱发射率进行了测量。在实验中,应用脉冲加热法在瞬间把金属试样加热至熔点,采用多波长高温计及相配的快速数据采集系统进行测量和数据采集,应用lnε(λ,T)=a+bλ假设,及线性最小二乘拟合法,处理结果为:钨熔点为3685±10K,钼熔点为2895±8K。1989年Hiernaut等人又报导了进一步研究结果,应用脉冲加热技术及多波长高温计,测量了铪、钼、铑、锆、钨、钛、锂、钒、铌等9种金属的熔点,经多次重复试验证明:熔点温度测量精度优于0·5%,且在0·5~1·0μm 波长范围内建立起了9种金属光谱发射率数据库,在光谱发射率数据中观察到了x点效应:即①存在一个波长λx,在此波长下金属光谱发射率ελx与温度无关;②存在一个温度点,在此时金属光谱发射率与波长无关。1989年Boslough设计了冲击波下物体温度高速测量的实验装置,装置中有4个波长通道分布在0·5~1·0μm范围内,测温范围为1500K以上,采用线性最小二乘拟合法,获得温度总不确定度为5%,发射率的精度较差,在2000K左右不确定度已超过50%。1992年Levendis等人研制成了3色辐射温度计,工作波长分别为0·65、0·8和0·95μm,并用于燃烧碳粒子瞬态响应测量,在数据处理上,采用比色思想,3个比色结果在2500K时相差小于100K。1992年Cezairliyan等人亦报导了亚毫秒级6波长高温计的研制情况,采用光导纤维束分光方法,6个工作波长分别为0·5、0·6、0·65、0·7、0·8和0·9μm,在脉冲加热下测量了铌金属试样的亮度温度。
1984年北京武汉光学技术研究所研制成功3波长HDW-1型红外测温仪。1988年北京联大提出了多光谱温度自动检测法。1989年王瑞才[22]研制成功4波长高温计并应用于电弧加热下烧蚀材料的温度测量。但都没有应用多波长测温理论中的数据拟合方法,而还只是停留在比色、单色高温计处理思想上,多个通道数据只是为了相互校验。
1991年作者与罗马大学G·Ruffino教授合作研制成功国际首创的棱镜分光式35波长高温计[23,24],并成功地用于烧蚀材料真温及发射率测量[25]。1999年作者又研制成功6目标8波长 高温计并成功用于固体火箭发动机羽焰温度和发射率的同时测量[26]。2001年又成功地研究红外多波长辐射温度计用于导弹发射车的隐身性测量[27]。与多波长辐射温度计研制热潮和应用热潮相呼应,多波长辐射测温理论的研究工作亦有了相应的发展。
1980年Gardner[29]发表了应用计算机处理多波长高温计测量结果的论文,他亦采用式lnε(λ,T)=a+bλ假设模型,应用线性最小二乘拟合技术,对钨等金属材料进行了模拟数据计算。他的结论为:式lnε(λ,T)=a+bλ模型假设适用于很多氧化或未氧化的金属表面,但当光谱区间宽度减小或应用对数压缩量程时,拟合精度降低。
1988年Coates[31,32]又连续发表2篇文章分别论述多波长测温理论中工作波长的确定和最小二乘法数据拟合问题。在第1篇文章中他指出了在多波长高温计数据处理中使用现在的有效波长概念导致的问题,为此他建议使用参考波长概念。在第2篇文章里,他选取了镍表面在1250K时光谱发射率数据,应用lnε(λ,T)=a+bλ假设模型,应用线性最小二乘法拟合,并与最短两波长构成的比色温度计算结果进行了比较,最后他的结论为:尽管多波长高温计结构、操作都较复杂,但其测量结果并不优于比色温度计。又由于发射率的函数形式不能由实验确定或事先预测,因而由粗略发射率估计数据和单色高温计而得到的结果要比多波长高温计结果可靠。
1991年Khan等[33]撰文总结了多波长高温计数据拟合方法,并推导出了极限误差的计算方法。他论文前提是lnε(λ,T)=a+bλ假设模型及线性拟合法和ε(λ,T)=a0+a1λ假设模型及非线性拟合法。最后他提出了应用黑体炉和各种光谱分布的衰减片来验证多波长理论的实验方法。
1992年Gathers[34,35]连续发表2篇文章讨论多波长高温计中数据拟合精度问题。在第1篇文章中针对文献[21]中的具体数据,引入一些测量误差,应用Monte-Carlo法检验拟合温度的精 度。结论为:文献[21]中的方法对光谱区间大小非常敏感,在使用线性放大器时,存在2%的相对随机误差,若光谱区间压缩60%,则拟合温度标准方差几乎增加8倍。另一方面,由于一般仪器中的短波通道信号弱,特别在低温时,发射率的计算误差相当大。第2篇文章他进一步在灰体和发射率与波长函数关系为线性两种情况下,应用Monte-Carlo法估计了3波长、4波长及6波长高温计的拟合温度误差。文章结论为:对于灰体材料,当每个通道上的信号有最大信号±2%随机相对误差时,拟合温度和发射率标准方差随着波长数增加而减小。但在信号有2%的随机相对误差时,除了4波长高温计外,随着波长数增加,几乎看不到标准方差的减小。在发射率与波长为线性时结果与上面类似。
从1991年起,我们课题组对多波长测温理论进行了深入的研究,做的主要工作[36-40]如下:(1)对现有的发射率模型进行了校验,提出了发射率模型的自动识别的设想,并将自动寻阶和逐 步回归法应用到多波长辐射测温领域,取得了较好的成果;(2)提出了基于神经网络的多波长辐射温度计的数据处理方法,并利用黑体炉和系列衰减片模拟实际的材料对该方法进行了实验验证。在此基础上,提出了基于二次辨识法的多波长辐射温度计的实用数据处理方法;(3)针对国体火箭羽焰温度测量和动态热物性测试等连续测温场合,提出了基于二次测量法的多波长辐射温度计的使用数据处理方法。通过对实测数据的处理,以验证了该方法的可行性;(4)针对低温测试时所测信号的含强噪声等情形,提出了小波神经网络的红外多波长辐射温度计的数据处理方法,并已取得阶段性成果;(5)设计了一种固定激活函数的组合神经网络发射率模型(简称CNNE模型),该模型以测得的各个光谱下的亮温作为样本数据,可以训练出任何目标的连续光谱发射率及真温。
5 结束语
近年来,辐射温度计的生产、应用,每年都数以万计的增加,已经形成了较大的产业群,应用也涵盖了几乎所有的领域。但是值得注意的现实是:目前市场上售出温度计还没有完全解决 目标发射影响问题,针对不同的对象,还要对不同对象特性、环境特性进行研究,设计适合环境接口和发射率补偿方案,所以在应用中出现了很多的问题。这是未来人们要致力解决的问。
总结一下有如下几个方面:(1)多光谱测温技术;包含了理论、仪器和应用研究,在不久的将来,可能有新一代的温度计的出现(3)高精度标定设备(含凝固点黑体、热管黑体等)及标定方法;(3)特殊对象的温度测量,如钢水、微波加热、羽焰等;(4)多目标、温度场的测量;(5)新原理温度计的研制,等等。
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作者简介:戴景民(1963-),男,博士,哈尔滨工业大学教授,博士生导师,长期从事黑体空腔理论及辐射测温技术的研究与教学。
