1　引　言

 

辐射测温法分为主动式辐射测温法和被动式辐射测温法两类[1,2]。在主动式辐射测温法中,由于使用了激光源或红外源作为辅助测量光源[3~5],因而都能实时测出待测目标的温度,且都具有较高的精度。被动式辐射测温法又可分为单波长、双波长及多波长辐射测温法三种[6,7]。由于目前的单波长或双波长辐射测温法不能测出待测目标的发射率,因而往往都有较大的测温误差。本文所述的测温仪器采用了PIN硅光电二极管作光电转换器件。由于使用了反射镜与之配合,因而可以“被动地”同时实现发射率及温度的测量,且具有较高的测量精度。

 

2　仪器结构与测温原理

 

2·1　测量原理

 

如图1所示,反射镜与探测器对称地置于待测表面法线的两侧。当反射镜不起作用时,探测器接收到的辐射能P1为

 

 

 

 

 

 

式中:D为光瞳口径,f′为光学接收系统的焦距,τ0为大气的传播系数,A为探测器的灵敏元面积,η为调制盘的调制系数,ελ为温度为T的待测目标在波长λ处的发射率,Lλ为温度为T的黑体在波长λ处的辐射出射度,τλ为光学系统对波长为λ的光的总透过率。

 

当反射镜起作用时,反射镜将红外辐射反射回待测区域的单色辐射能为

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

并结合式(1)或式(2),即可求出待测表面的温度。式(6)中,h为Planck常数,k为Boltzmann常数,c为光速。

 

2·2　仪器结构

 

该仪器主要由光学接收系统、信号放大与处理系统及显示系统三部分组成。工作时,接收镜头接收到的光信号(P1、P2),经窄带干涉滤光片滤光后,再经由PIN硅光电二极管构成的光电转换系统转换成电信号。该信号经前置放大、选频放大、脉宽压缩、模-数转换后送入8031单片机系统进行数据处理,计算出待测表面的发射率及温度。

 

电路中所需的各种触发与同步信号,均由同步光电系统产生:透过调制盘上镶嵌的同步滤光片的光信号,先经光电转换系统转变成电信号,再经整形放大后送入8031单片机,适当延时后分别去触发、同步各个需要触发和同步的信号。

 

调制盘的结构简图见图2。其中1、2、4号窗口贴的是波长为0·80μm的窄带干涉滤光片(带宽20nm)。3号窗口贴的是波长为1·00μm的滤光片,带宽约0·1μm(无严格要求)。5、6号窗口贴的是波长为1·00μm的滤光片(带宽也无严格要求)。调制盘的转速为1 200 r/min。

 

 

 

 

 

 

调制盘的具体调制情况如下:(1)当待测表面的光辐射透过3号窗口到达反射镜、并由反射镜反射后再次穿过3号滤光片回到待测区域时,1号窗口正对探测器。对于这种情况,反射镜不起作用。这是因为透过3号滤光片后又回到待测区域的光的中心波长为1·00μm,带宽约0·1μm。而1号窗口只能通过中心波长为0·80μm、带宽仅20 nm的光,因此探测器接收到的仅是“直射”能(P1);此时,由5号窗口透过的光辐射形成触发、同步信号;(2)当待测表面的光辐射透过4号窗口到达反射镜、并由反射镜反射后再次穿过4号窗口回到待测区域时,2号窗口正对探测器。对于这种情况,反射镜起作用。探测器接收到的是“直射”能与“反射”能之和(P2);此时,由6号窗口透过的光辐射形成触发、同步信号;(3)当待测表面的光辐射透过1号窗口到达反射镜时,3号窗口正对探测器。情况与(1)类似,不同的只是探测器接收到的是波长为1·00μm的光辐射。后续电路虽对该信号进行放大处理,但因模-数转换电路没有触发信号和同步信号,因此不对其进行模-数转换;(4)当待测表面的光辐射透过2号窗口到达反射镜时,4号窗口正对探测器。情况与(3)类似,不同的只是探测器接收到的是波长为0·80μm的光辐射。后续电路虽对该信号进行放大处理,但同样因模-数转换电路没有触发信号和同步信号,故不对其进行模-数转换。

 

3　讨论

 

3·1　基于探测器的相对测温灵敏度的考虑

 

待测温度每变化1 K时,信号电平的变化量(本文即P1或P2的变化量)称为系统的温度灵敏度S[8,9]。即

 

 

 

 

 

 

不失一般性,同时也为简单起见,以反射镜不起作用时的情况(P1)为例进行讨论。此时探测器输出的电信号的强度V(T)可写成[8,9]

 

 

 

 

 

 

由式(12)作出的Sr~λT曲线如图3所示。由图3可以导出,在λT=2 898μm·K附近,系统正好工作在Sr~λT曲线的峰值区域。这就是说,对PIN硅光电二极管而言,只要待测温度不高于T≈2 898/1·1=2 634 K,探测器的输出信号就处于灵敏区域。亦即,只要被测温度有微小的变动,就能引起Sr较大的变化。显见,采用PIN硅光电二极管作光接收器件,肯定能满足测温范围的高温段对测温灵敏度的要求。

 

 

 

 

 

 

3·2　基于探测器的温度分辨率的考虑

 

据式(1),在极窄的波段内,当待测温度改变ΔT时,容易导出系统接收到的辐射能的变化

 

 

 

 

 

 

时,才能引起探测器的响应。式中,VS/VN为信噪比,在推算系统的温度分辨率时,取VS/VN=1;Δf为后续的选频放大器的带宽。将式(6)、式(13)、式(14)及式(15)代入式(16)中,并考虑极限情况,可以导出

 

 

 

 

 

 

上式中的ΔT即为探头的温度分辨率。

 

下面进行定量分析。对于实际的测量环境,取大气的衰减系数τ0=0·85,光学系统对光的总透过率τλ=0·50,调制盘的调制系数η=0·80、PIN光电二极管的探测率D*=5·0×1012cm·Hz1/2·W-1、灵敏元面积A=5 mm×5 mm[10],选频放大器的带宽Δf=10Hz,光学系统的焦距f′=15 cm,通光口径D=10 cm。为分析上的方便,同时也不失一般性,取ελ=0·50、Δλ=20 nm代入计算。在不同的待测温度下,由式(17)作出的探测器的温度分辨率随波长的变化曲线,如图4所示。

 

 

 

 

 

 

由图4显见:(1)探测器的温度分辨率随系统工作波长的增加而变高。例如,对于T=773 K而言,λ=0·60μm时,系统的温度分辨力ΔT=1·662 K,显然不符合要求。但当λ=0·80μm时,ΔT=0·004 K,显然符合要求;(2)当待测温度足够高时,例如待测温度T=923 K,λ≥0·70μm的波长都能满足要求。

 

3·3　基于抑制光路中选择性吸收气体吸收影响的考虑

 

按3·1节要求,系统的工作波长越短,则测量的上限温度就越高;而按3·2节要求,系统的工作波长越长,则测量较低的高温时其温度分辨率就越高,因此二者之间必然有一个折衷。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5给出了在0·6~3·0μm内海平面300 m长度的路径上大气的透射光谱曲线[11]。结合图5,考虑到前面得出的结论和PIN硅光电二极管的最小可探测光功率及后面关于测温精度的分析与讨论,本文取系统的工作波长λ1=0·8μm。

 

 

 

 

 

 

顺便提及,λ1=0·8μm既符合本仪器的精确测温下限T=600 K处的PIN硅光电二极管的最小可探测光功率要求,又满足采用16位A/D转换器件时的二次仪表测温灵敏度的要求。进一步的研究还表明,它还能使发射率的测量精度达到最优。

 

3·4　基于系统抗反射辐射能力的考虑与波长带宽的优化选择

 

探测器接收到的来自待测目标方向的红外辐射,由待测表面自身的辐射和待测表面对周围环境辐射的反射这两部分组成。为讨论上的方便,将待测表面的温度记为T0。其辐射出射度可写成

 

 

 

 

 

 

使用前面给出的参数值,利用式(1)及式(21),在T0=900 K、Ts=800 K的情况下作出的测温不确定度随波长带宽的变化曲线,如图6所示。

 

 

 

 

 

 

由图6显见,当Δλ≤20 nm时,Ts=800 K的背景辐射对测温精度几乎不产生什么影响(由背景辐射带来的测温不确定度仅为0·01%)。但当Δλ>20nm时,影响渐增。研究还表明,在更高温度的背景辐射下,产生可观测影响的波长带宽的起点值变小,且随着波长带宽的增加,这种影响变得更明显。结合本节的分析结果和探测器件的最小可探测光功率要求,本文选择Δλ=20 nm作为系统的波长带宽。

 

3·5　测量精度

 

ελ的标准差极大地影响系统的测温标准差。由误差传递公式[10],容易导出ελ的标准差

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

显见,波长越短,系统的测温标准差就越小,这是本仪器采用近红外波长作为工作波长的重要原因之一。使用3·2节中给出的技术参数,以45#钢作为测量对象,并取γ1=0·75、β=0·60。在测量距离约1 m的情况下,所得P1、P2的相对测量不确定度的典型值为|ΔP1/P1|≈|ΔP2/P2|≈0·5%。由式(19)、式(20)容易算出σελ≈1·7×10-2;对900 K的待测表面而言,计算可得σT≈1·19 K;σTT≈1·32%,这是比较精确的。

 

4　结　论

 

本文在研究探头的温度分辨率和仪器的相对温度灵敏度的基础上,结合光路中选择性吸收气体吸收影响的抑制以及考虑探测器的最小可探测光功率,研究了仪器工作波长与波长带宽的选取。得出实际测温系统的波长及波长带宽分别为λ1=0·8μm、Δλ=20 nm时,系统的测温精度优于0·3%,其测温灵敏度也满足实际需要,实验结果见表1。