1 引 言
20世纪80年代以来,欧美等国竞相研究多光谱测温技术,主要用来解决高温及超高温目标真实温度及热物性的动态测量。1982年,Cashdollar[1]研制成了PbSe作为探测器的6波长高温计,用以测量在粉尘爆炸过程中粉尘粒子及气体的温度;1992年,Cezairliyan等人[2]研制成了亚毫秒级的6波长高温计,在脉冲加热下测量了铌金属试样的亮度温度。
就目前多波长高温计的研究现状而言,主要存在以下几个问题:(1)采用干涉滤光片限定工作波长,受温度及湿度影响较大,而且干涉滤光片也易老化;(2)采用光导纤维进行分光,使输出信号减小,不利于小目标测量及提高信噪比和分辨力;(3)基于式(1)假设方程进行数据处理,当被测目标的真实情形与假设方程不相符时,通过计算得到的目标真温及光谱发射率的结果偏差相当大[3],不仅使得目前的多波长高温计只能作为一种专用仪器对某一特定目标进行测量,而且还无法作为一种通用仪器适合大多数工程材料的目标真温及光谱发射率的测量。
因此,有必要研制一种在光路系统及数据处理方法等方面有突破的新型多波长高温计,以便能够自动识别大多数工程材料的目标真温及光谱发射率。
2 多波长高温计的总体框图
多波长高温计主要由光路系统和数据采集系统两部分构成,其总体框图如图1所示。主要技术指标是:(1)测温范围为800～5 000 K;(2)测温精度优于0.5%;(3)分光方法采用组合棱镜分光;(4)波长数为8路;(5)测量距离为550 mm～∞;(6)最小测量目标为1×1 mm2。
2.1 光路系统
图2为多波长高温计的光路系统,其中L1为主物镜,L2为准直物镜和孔径光阑,P为组合色散棱镜,L3为暗箱物镜,M为反射镜,A为光电探测器,L4为目镜,FS为视场光阑和反射镜。
主物镜L1、视场光阑FS与位于准直物镜L2上的孔径光阑构成取样系统,主物镜可以调焦,以便把被测物的像调到视场光阑面上来。L2将视场光阑FS从物面上取来的辐射能准直为平行束,经P色散成不同波长且具有不同角度的多路平行束,再经L3和M成像在L3的焦平面A上,被多元光电探测器按波长次序接收。光电探测器采用8个S1336-18BK型硅光电二极管,每个硅光电二极管的位置可以单独调节,以便获得最佳像质。
2.2 数据采集系统
前置级放大器选用AD645,采样保持器选用LF398。采样保持器的作用是为了保证测得的8路信号是同一时刻的,这对于应用多波长算法至关重要。ADAM5510是基于PC机的可编程式数据采集系统,带有4个I/O模块插槽和两个串行通讯端口(即RS-232和RS-485)。ADAM5017H是高速模拟量采集模块,ADAM5050是数字量输入输出模块。由内插在ADAM5510上的ADAM5050模块输出数字量,控制采样保持器。由内插在ADAM5510上的ADAM5017H模块采集采样保持器的输出。无线收发模块采用SA68D22型无线数传模块,最远传输距离为15 km,无线收发模块与计算机间的信号交换是通过串行口RS-232来完成的。
3 多波长高温计的有效波长标定[4]
考虑一窄带辐射温度计,仪器输出信号V(T)为
式中,P(λ,T)为波长λ和温度T的普朗克函数;τ(λ)为光学系统的光谱透过率;σ(λ)为探测器的光谱响应率。
由式(2)可得
式中,T0为选定的参考温度。
记φ(λ) =σ(λ)·τ(λ),定义为高温计的波长函数。如果已知φ(λ),则对于不同的T值来说,可以用梯形法测算出相应的Q值,进而由式(4)可以算出相应的平均有效波长λe(T,T0),有效波长的计算结果见表1。
4 多波长高温计的数据处理
本文的方法是通过处理两个不同温度处的测量数据来求取被测目标的真温及光谱发射率,该方法对发射率与波长之间的函数关系不做任何限制,但要求发射率在所选定的波长处与温度有近似相同的线性关系,如下式:
式中,ε0i是波长为λi、温度为T0时的光谱发射率;T0为某个初始温度。这对于许多实际物体来说,在一定温区,一定波长范围内是不难满足的。
如果多波长温度计有n个通道,则第i个通道的输出信号Vi可表示为
式中,Ai是只与波长有关而与温度无关的检定常数,它与在该波长下探测器的光谱响应率、光学元件透过率、几何尺寸及第一辐射常数有关。
在某定点黑体参考温度T′下,第i个通道的输出信号V′i为
记V1i为在第1个温度下,在第i个通道时的输出信号,T0为第1个温度的估计值,则在第1个温度下,在第i个波长处发射率的估计值ε0i为
5 结 论
综上所述,本文介绍的多波长高温计有如下特点:(1)光路系统采用棱镜分光技术,克服了以往多波长高温计采用光导纤维分光、干涉滤光片限定工作波长的缺点;(2)基于新的数据处理方法进行多波长高温计的数据处理,使得多波长高温计能够自动识别大多数工程材料的目标真温及光谱发射率;(3)测量头部分与上位机之间的数据交换是通过无线收发模块实现的,两者相距4 km时的实测试验数据传输无误。测量头部分与上位机之间通过无线收发模块实现数据交换,可满足诸如测量头部分与被测目标必须同时运动、转动等特殊测量场合的需要。
参考文献:
[1] Cashdollar K L, Hertzberg M. Infrared Pyrometers for MeasuringDust Explosion Temperatures[J]. Opt Eng, 1982,21(1):82—86.
[2] Cezairliyan A. Six-wavelength Millisecond Resolution Pyrometer[J]. Temp, its Measur and Contr in Sci and Ind, 1993,6:757—762.
[3] Sun X G. The Theoretical Analysis of Multi-wavelength Pyrome-ter:Check and Autosearch for Emissivity General Expression[J].Journal of Harbin Institute of Technology, 1998,5(3):36—40.
[4] Coppa P. Pyrometer Wavelength Function: Its Determination andError Analysis[J]. High Temp-High Press, 1988,22:479—490.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(69777020);国家博士后科学基金资助项目(205040307)
作者简介:孙晓刚(1967-),男,黑龙江呼兰县人,哈尔滨工业大学自动化测试与控制系副教授,博士,博士后,1999年8月进入博士后流动站,主要从事辐射测温、热物性测试方面的研究。
