[導(dǎo)讀] 介紹了一種實(shí)用化實(shí)時(shí)測(cè)溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了PIN硅光電二極管作光接收器件,由光學(xué)接收系統(tǒng)、信號(hào)放大與處理系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)三部分組成。從系統(tǒng)的相對(duì)測(cè)溫靈敏度及探測(cè)器的溫度分辨率與波長(zhǎng)間的關(guān)系出發(fā),結(jié)合大氣對(duì)紅外輻射的透射特性,確定了系統(tǒng)的工作波長(zhǎng);從系統(tǒng)的抗反射輻射能力出發(fā),并結(jié)合探測(cè)器的最小可探測(cè)光功率要求,確定了系統(tǒng)的波長(zhǎng)帶寬。從輻射能P1、P2的測(cè)量不確定度出發(fā),討論了待測(cè)目標(biāo)的發(fā)射率及溫度的測(cè)量精度。結(jié)果表明,當(dāng)λ=0·80μm、Δλ=20 nm時(shí),在測(cè)溫范圍600~2 500℃內(nèi),系統(tǒng)的測(cè)溫不確定度
1 引 言
輻射測(cè)溫法分為主動(dòng)式輻射測(cè)溫法和被動(dòng)式輻射測(cè)溫法兩類[1,2]。在主動(dòng)式輻射測(cè)溫法中,由于使用了激光源或紅外源作為輔助測(cè)量光源[3~5],因而都能實(shí)時(shí)測(cè)出待測(cè)目標(biāo)的溫度,且都具有較高的精度。被動(dòng)式輻射測(cè)溫法又可分為單波長(zhǎng)、雙波長(zhǎng)及多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫法三種[6,7]。由于目前的單波長(zhǎng)或雙波長(zhǎng)輻射測(cè)溫法不能測(cè)出待測(cè)目標(biāo)的發(fā)射率,因而往往都有較大的測(cè)溫誤差。本文所述的測(cè)溫儀器采用了PIN硅光電二極管作光電轉(zhuǎn)換器件。由于使用了反射鏡與之配合,因而可以“被動(dòng)地”同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)射率及溫度的測(cè)量,且具有較高的測(cè)量精度。
2 儀器結(jié)構(gòu)與測(cè)溫原理
2·1 測(cè)量原理
如圖1所示,反射鏡與探測(cè)器對(duì)稱地置于待測(cè)表面法線的兩側(cè)。當(dāng)反射鏡不起作用時(shí),探測(cè)器接收到的輻射能P1為
式中:D為光瞳口徑,f′為光學(xué)接收系統(tǒng)的焦距,τ0為大氣的傳播系數(shù),A為探測(cè)器的靈敏元面積,η為調(diào)制盤的調(diào)制系數(shù),ελ為溫度為T的待測(cè)目標(biāo)在波長(zhǎng)λ處的發(fā)射率,Lλ為溫度為T的黑體在波長(zhǎng)λ處的輻射出射度,τλ為光學(xué)系統(tǒng)對(duì)波長(zhǎng)為λ的光的總透過率。
當(dāng)反射鏡起作用時(shí),反射鏡將紅外輻射反射回待測(cè)區(qū)域的單色輻射能為
并結(jié)合式(1)或式(2),即可求出待測(cè)表面的溫度。式(6)中,h為Planck常數(shù),k為Boltzmann常數(shù),c為光速。
2·2 儀器結(jié)構(gòu)
該儀器主要由光學(xué)接收系統(tǒng)、信號(hào)放大與處理系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)三部分組成。工作時(shí),接收鏡頭接收到的光信號(hào)(P1、P2),經(jīng)窄帶干涉濾光片濾光后,再經(jīng)由PIN硅光電二極管構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)前置放大、選頻放大、脈寬壓縮、模-數(shù)轉(zhuǎn)換后送入8031單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,計(jì)算出待測(cè)表面的發(fā)射率及溫度。
電路中所需的各種觸發(fā)與同步信號(hào),均由同步光電系統(tǒng)產(chǎn)生:透過調(diào)制盤上鑲嵌的同步濾光片的光信號(hào),先經(jīng)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成電信號(hào),再經(jīng)整形放大后送入8031單片機(jī),適當(dāng)延時(shí)后分別去觸發(fā)、同步各個(gè)需要觸發(fā)和同步的信號(hào)。
調(diào)制盤的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖2。其中1、2、4號(hào)窗口貼的是波長(zhǎng)為0·80μm的窄帶干涉濾光片(帶寬20nm)。3號(hào)窗口貼的是波長(zhǎng)為1·00μm的濾光片,帶寬約0·1μm(無嚴(yán)格要求)。5、6號(hào)窗口貼的是波長(zhǎng)為1·00μm的濾光片(帶寬也無嚴(yán)格要求)。調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。
調(diào)制盤的具體調(diào)制情況如下:(1)當(dāng)待測(cè)表面的光輻射透過3號(hào)窗口到達(dá)反射鏡、并由反射鏡反射后再次穿過3號(hào)濾光片回到待測(cè)區(qū)域時(shí),1號(hào)窗口正對(duì)探測(cè)器。對(duì)于這種情況,反射鏡不起作用。這是因?yàn)橥高^3號(hào)濾光片后又回到待測(cè)區(qū)域的光的中心波長(zhǎng)為1·00μm,帶寬約0·1μm。而1號(hào)窗口只能通過中心波長(zhǎng)為0·80μm、帶寬僅20 nm的光,因此探測(cè)器接收到的僅是“直射”能(P1);此時(shí),由5號(hào)窗口透過的光輻射形成觸發(fā)、同步信號(hào);(2)當(dāng)待測(cè)表面的光輻射透過4號(hào)窗口到達(dá)反射鏡、并由反射鏡反射后再次穿過4號(hào)窗口回到待測(cè)區(qū)域時(shí),2號(hào)窗口正對(duì)探測(cè)器。對(duì)于這種情況,反射鏡起作用。探測(cè)器接收到的是“直射”能與“反射”能之和(P2);此時(shí),由6號(hào)窗口透過的光輻射形成觸發(fā)、同步信號(hào);(3)當(dāng)待測(cè)表面的光輻射透過1號(hào)窗口到達(dá)反射鏡時(shí),3號(hào)窗口正對(duì)探測(cè)器。情況與(1)類似,不同的只是探測(cè)器接收到的是波長(zhǎng)為1·00μm的光輻射。后續(xù)電路雖對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大處理,但因模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路沒有觸發(fā)信號(hào)和同步信號(hào),因此不對(duì)其進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換;(4)當(dāng)待測(cè)表面的光輻射透過2號(hào)窗口到達(dá)反射鏡時(shí),4號(hào)窗口正對(duì)探測(cè)器。情況與(3)類似,不同的只是探測(cè)器接收到的是波長(zhǎng)為0·80μm的光輻射。后續(xù)電路雖對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大處理,但同樣因模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路沒有觸發(fā)信號(hào)和同步信號(hào),故不對(duì)其進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換。
3 討論
3·1 基于探測(cè)器的相對(duì)測(cè)溫靈敏度的考慮
待測(cè)溫度每變化1 K時(shí),信號(hào)電平的變化量(本文即P1或P2的變化量)稱為系統(tǒng)的溫度靈敏度S[8,9]。即
不失一般性,同時(shí)也為簡(jiǎn)單起見,以反射鏡不起作用時(shí)的情況(P1)為例進(jìn)行討論。此時(shí)探測(cè)器輸出的電信號(hào)的強(qiáng)度V(T)可寫成[8,9]
由式(12)作出的Sr~λT曲線如圖3所示。由圖3可以導(dǎo)出,在λT=2 898μm·K附近,系統(tǒng)正好工作在Sr~λT曲線的峰值區(qū)域。這就是說,對(duì)PIN硅光電二極管而言,只要待測(cè)溫度不高于T≈2 898/1·1=2 634 K,探測(cè)器的輸出信號(hào)就處于靈敏區(qū)域。亦即,只要被測(cè)溫度有微小的變動(dòng),就能引起Sr較大的變化。顯見,采用PIN硅光電二極管作光接收器件,肯定能滿足測(cè)溫范圍的高溫段對(duì)測(cè)溫靈敏度的要求。
3·2 基于探測(cè)器的溫度分辨率的考慮
據(jù)式(1),在極窄的波段內(nèi),當(dāng)待測(cè)溫度改變ΔT時(shí),容易導(dǎo)出系統(tǒng)接收到的輻射能的變化
時(shí),才能引起探測(cè)器的響應(yīng)。式中,VS/VN為信噪比,在推算系統(tǒng)的溫度分辨率時(shí),取VS/VN=1;Δf為后續(xù)的選頻放大器的帶寬。將式(6)、式(13)、式(14)及式(15)代入式(16)中,并考慮極限情況,可以導(dǎo)出
上式中的ΔT即為探頭的溫度分辨率。
下面進(jìn)行定量分析。對(duì)于實(shí)際的測(cè)量環(huán)境,取大氣的衰減系數(shù)τ0=0·85,光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光的總透過率τλ=0·50,調(diào)制盤的調(diào)制系數(shù)η=0·80、PIN光電二極管的探測(cè)率D*=5·0×1012cm·Hz1/2·W-1、靈敏元面積A=5 mm×5 mm[10],選頻放大器的帶寬Δf=10Hz,光學(xué)系統(tǒng)的焦距f′=15 cm,通光口徑D=10 cm。為分析上的方便,同時(shí)也不失一般性,取ελ=0·50、Δλ=20 nm代入計(jì)算。在不同的待測(cè)溫度下,由式(17)作出的探測(cè)器的溫度分辨率隨波長(zhǎng)的變化曲線,如圖4所示。
由圖4顯見:(1)探測(cè)器的溫度分辨率隨系統(tǒng)工作波長(zhǎng)的增加而變高。例如,對(duì)于T=773 K而言,λ=0·60μm時(shí),系統(tǒng)的溫度分辨力ΔT=1·662 K,顯然不符合要求。但當(dāng)λ=0·80μm時(shí),ΔT=0·004 K,顯然符合要求;(2)當(dāng)待測(cè)溫度足夠高時(shí),例如待測(cè)溫度T=923 K,λ≥0·70μm的波長(zhǎng)都能滿足要求。
3·3 基于抑制光路中選擇性吸收氣體吸收影響的考慮
按3·1節(jié)要求,系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)越短,則測(cè)量的上限溫度就越高;而按3·2節(jié)要求,系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)越長(zhǎng),則測(cè)量較低的高溫時(shí)其溫度分辨率就越高,因此二者之間必然有一個(gè)折衷。一般情況下,進(jìn)入光路中的粉塵、水蒸汽以及其它一些選擇性吸收氣體如二氧化碳等,都會(huì)成為外界干擾而影響到儀器的測(cè)溫精度。圖5給出了在0·6~3·0μm內(nèi)海平面300 m長(zhǎng)度的路徑上大氣的透射光譜曲線[11]。結(jié)合圖5,考慮到前面得出的結(jié)論和PIN硅光電二極管的最小可探測(cè)光功率及后面關(guān)于測(cè)溫精度的分析與討論,本文取系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)λ1=0·8μm。
順便提及,λ1=0·8μm既符合本儀器的精確測(cè)溫下限T=600 K處的PIN硅光電二極管的最小可探測(cè)光功率要求,又滿足采用16位A/D轉(zhuǎn)換器件時(shí)的二次儀表測(cè)溫靈敏度的要求。進(jìn)一步的研究還表明,它還能使發(fā)射率的測(cè)量精度達(dá)到最優(yōu)。
3·4 基于系統(tǒng)抗反射輻射能力的考慮與波長(zhǎng)帶寬的優(yōu)化選擇
探測(cè)器接收到的來自待測(cè)目標(biāo)方向的紅外輻射,由待測(cè)表面自身的輻射和待測(cè)表面對(duì)周圍環(huán)境輻射的反射這兩部分組成。為討論上的方便,將待測(cè)表面的溫度記為T0。其輻射出射度可寫成
使用前面給出的參數(shù)值,利用式(1)及式(21),在T0=900 K、Ts=800 K的情況下作出的測(cè)溫不確定度隨波長(zhǎng)帶寬的變化曲線,如圖6所示。
由圖6顯見,當(dāng)Δλ≤20 nm時(shí),Ts=800 K的背景輻射對(duì)測(cè)溫精度幾乎不產(chǎn)生什么影響(由背景輻射帶來的測(cè)溫不確定度僅為0·01%)。但當(dāng)Δλ>20nm時(shí),影響漸增。研究還表明,在更高溫度的背景輻射下,產(chǎn)生可觀測(cè)影響的波長(zhǎng)帶寬的起點(diǎn)值變小,且隨著波長(zhǎng)帶寬的增加,這種影響變得更明顯。結(jié)合本節(jié)的分析結(jié)果和探測(cè)器件的最小可探測(cè)光功率要求,本文選擇Δλ=20 nm作為系統(tǒng)的波長(zhǎng)帶寬。
3·5 測(cè)量精度
ελ的標(biāo)準(zhǔn)差極大地影響系統(tǒng)的測(cè)溫標(biāo)準(zhǔn)差。由誤差傳遞公式[10],容易導(dǎo)出ελ的標(biāo)準(zhǔn)差
顯見,波長(zhǎng)越短,系統(tǒng)的測(cè)溫標(biāo)準(zhǔn)差就越小,這是本儀器采用近紅外波長(zhǎng)作為工作波長(zhǎng)的重要原因之一。使用3·2節(jié)中給出的技術(shù)參數(shù),以45#鋼作為測(cè)量對(duì)象,并取γ1=0·75、β=0·60。在測(cè)量距離約1 m的情況下,所得P1、P2的相對(duì)測(cè)量不確定度的典型值為|ΔP1/P1|≈|ΔP2/P2|≈0·5%。由式(19)、式(20)容易算出σελ≈1·7×10-2;對(duì)900 K的待測(cè)表面而言,計(jì)算可得σT≈1·19 K;σTT≈1·32%,這是比較精確的。
4 結(jié) 論
本文在研究探頭的溫度分辨率和儀器的相對(duì)溫度靈敏度的基礎(chǔ)上,結(jié)合光路中選擇性吸收氣體吸收影響的抑制以及考慮探測(cè)器的最小可探測(cè)光功率,研究了儀器工作波長(zhǎng)與波長(zhǎng)帶寬的選取。得出實(shí)際測(cè)溫系統(tǒng)的波長(zhǎng)及波長(zhǎng)帶寬分別為λ1=0·8μm、Δλ=20 nm時(shí),系統(tǒng)的測(cè)溫精度優(yōu)于0·3%,其測(cè)溫靈敏度也滿足實(shí)際需要,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。