一种利用激光及热电器件的实时测温系统的测温精度

1　引　言

高温的测量方法可分为接触式测温法和非接触式测温法两大类[1]。就非接触式的辐射测温法而言,又可将其分为被动式辐射测温法[2,3]及主动式辐射测温法[4~6]两种。在主动式辐射测温法中,由于使用了激光器或红外辐射源作为测量光源,因而都能实时、准确地测出被测目标的真实温度。

研究表明,在作者等人设计的使用钽酸锂热释电探测器作光电转换器件、利用InGaAs/I半导体激光器作测量光源的实时测温系统中,激光器的波长(仪器的工作波长)和发射能量、仪器工作波长的带宽、选频放大电路的带宽、探测器的灵敏元面积、光学系统的相对孔径等参数以及系统的抗干扰能力等都能影响系统的测温不确定度。因此,必须对这些参数进行最优设计。文献[7~9]已对仪器的最佳工作波长、波长带宽、最佳光源及其它技术参数(主要包括探测器的选择、选频放大电路的带宽及光学系统的相对孔径等)进行了研究,本文则从干扰光(反射辐射)对测温不确定度的影响出发,通过对干扰辐射引起的系统的测温不确定度的研究,对仪器的工作波长作进一步的优化设计,确定水冷遮蔽板的H/R之值,总结影响该测温系统测温精度的5种原因,并进行一些简要的讨论。

2　系统结构与测温原理

2·1　系统结构

图1为本文所采用的实用化实时测温系统的原理结构方框图,图2为该系统的同步光电转换系统、检测光电转换系统、监测光电转换系统及激光器的光路图。仪器工作时,半导体激光器产生的连续激光束,由准直镜准直、扩束镜扩束、调制盘调制成脉冲激光束,再由分束镜分束后发射出去。一方面,检测接收镜头接收到的光信号,经调制盘调制、滤波后,再经由钽酸锂热释电探测器(检测探测器)构成的光电转换系统转换成电信号,经前置放大、选频放大、脉宽压缩、模-数转换后送入单片机系统;另一方面,经分束镜分出的一部分激光能量,经滤光后也由钽酸锂探测器(监测探测器)转变成电信号,用于标准化激光光源的发射能量。透过调制盘(见图3)上镶嵌的同步滤光片的光信号,由钽酸锂探测器(同步探测器)构成的光电转换系统转换成电信号,经整形放大、软件延时后用于其它电路的触发和同步。调制盘对入射光的调制情况是:

(1)当激光束透过3号滤光片(中心波长为2·00μm)到达待测目标表面时,1号滤光片(中心波长为2·00μm)透过激光和红外辐射的混合光信号P2。此时,5号滤光片(中心波长为2·00μm,带宽为100nm)透过的红外辐射经由同步光电系统进行光电转换、整形放大,并经适当延时后用于触发和同步各个器件以对P2及此时监测光电系统的输出P3进行处理;

(2)当激光束透过1号滤光片到达待测目标表面时,3号滤光片也透过激光、红外辐射的混合光信号,但由于此时没有触发和同步信号,因而后续的信号处理系统不对该信号进行处理;

(3)当激光束照射到4号滤光片(中心波长2·05μm,带宽为20 nm)时,由于4号滤光片不允许波长为2·00μm的激光通过,因此透过2号滤光片(中心波长2·00μm)到达探测器的仅仅是待测目标的辐射,此时由透过6号滤光片(中心波长2·00μm,带宽100 nm)的红外辐射经适当处理后去触发和同步各个器件以对检测探测器的输出P1进行处理;

(4)当激光透过2号滤光片到达待测目标表面时,由于4号滤光片不允许激光透过,因此透过4号滤光片的仅仅是“无用的”红外辐射。

2·2　测量原理

当无激光束进入检测探测器时,检测探测器接收到的仅仅是待测目标的辐射能P1

式中:D为通光口径;f′为光学系统的焦距;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处的单色辐射能;τλ为光学系统对波长为λ的光的总透过率。

当有激光束进入检测探测器时,检测探测器接收到的能量P2由待测目标反射的激光能量及待测目标辐射的红外能量这两部分组成:

式中:γ为待测目标表面的反射率;β为待测目标表面镜面反射特性的光学校正系数;Eλ为入射待测目标表面的单色激光能量。

由Kirchhoff定律,可以得出

3　反射辐射对测温系统测温精度的影响与水冷遮蔽板H/R值的确定

探测器接收到的来自待测目标方向的红外辐射,由待测目标自身的辐射和待测目标对周围环境辐射的反射(即反射辐射)两部分组成。对于反射辐射,采用水冷遮蔽板加以抑制[10,11]。水冷遮蔽板对反射辐射的遮蔽原理,如图4所示。

因此,当无激光束进入探测器时,检测探测器接收到

在不同的待测温度下,由式(4)、(17)联合作出的温度的相对测量不确定度随背景温度的变化曲线如图5所示。

图5表明,背景辐射越强,则由背景辐射引入的测温误差就越大。例如,对700 K的待测温度而言,1 100 K的背景辐射引起的误差可以达到40%。本系统是通过采用水冷遮蔽板来限制反射辐射,从而提高测温精度的。下面分析H/R取何值时,才能达到较为理想的遮蔽效果。图6(a)为在不同的λ下,且T0=900 K和Ts=1 000 K时,联合式(4)、(15)作出的相对测温不确定度T-T0T×100%随H/R的变化曲线。图6(a)为在不同的Ts下,T0=900 K和λ=2·00μm时作出的相对测温不确定度T-T0T×100%随H/R的变化曲线。

从图6(a)可以看出:(1)在确定的λ下,当干扰辐射Ts确定时,系统的测温不确定度随着H/R的增加而增大。这说明,较大的H/R对反射辐射的遮蔽效果较差;(2)在某一确定的H/R下,当系统的工作波长较长时,系统的测温不确定度较大。因此从这个意义上讲,系统的工作波长似乎越短越好;(3)当H/R较小时(如H/R≤0·15),不管系统的工作波长如何,由系统工作波长的变化引入的测温不确定度都是可以忽略不计的。

由6(b)显见:(1)在确定的T0、Ts及λ下,系统的测温不确定度随H/R的增加而增大,这与上面得出的结论是相同的;(2)在某一确定的H/R下,随着背景辐射的增强,由背景辐射引入的测温不确定度就越大,但随着H/R的减小(如H/R≤0·15),即使背景辐射温度略高于待测温度,由背景辐射引入的测温不确定度也是可以忽略不计的。从上面的分析可以得出,只要水冷遮蔽板的H/R足够小(如H/R≤0·15),水冷遮蔽板对反射辐射的遮蔽效果就能达到比较理想的程度。

4　波长对实时测温系统测温精度的影响和系统工作波长的优化选择

图7(a)为在不同的Ts下,T0=900 K和H/R=0·15时,联合式(4)、(15)作出的相对测温不确定度T-T0T×100%随系统工作波长的变化曲线。图7(b)为在不同的T0下,Ts=900 K和H/R=0·15时,作出的相对测温不确定度T-T0T×100%随系统工作波长的变化曲线。

从图7(a)可以看出:(1)在T0和H/R确定的情况下,当背景辐射较弱时,系统的相对测温不确定度随系统的工作波长的增加而增大;当背景辐射较强时,系统的测温不确定度反而随系统的工作波长的增加而减小;(2)当背景辐射的温度和待测温度相同时,误差曲线上存在着一个极值点,且这个极值点大约位于λ=2·0μm处。从7(b)中也可得出相同的结论。

文献[7]对探测器的温度分辨率及其标准差进行分析后得出,在测温范围为400~1 200℃内、只有系统的工作波长λ≥1·66μm时,系统才能正常工作,上述分析结果与这一结论是一致的。

5　光路中的外界干扰及大气的透过率对测温精度的影响及其抑制

5·1　光路中的外界干扰对实时测温系统测温精度的影响及其抑制

进入光路中的粉尘、烟灰等颗粒都会成为外界干扰而影响到P1、P2的准确测量。当粒子的大小在数μm以上时,主要为散射;数μm以下时主要为吸收。对于散射,采用空气清洗的方法可以去除[13];对于进入光路中的水蒸气以及其它一些选择性吸收气体如二氧化碳等的光谱吸收,可按下述的方法,通过选择合适的系统工作波长来解决。

5·2　大气的透过率

进入光路中的水蒸气以及其它一些选择性吸收气体如二氧化碳等的光谱吸收,在确定系统的工作波长时应尽量予以避开。图8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]。由图8并结合上面得出的结论可以看出,只有波长位于1·66~1·80μm、2·00~2·40μm时,才能既避开二氧化碳等选择性吸收气体的光谱吸收,又能满足文献[7~9]及本文第3、4节中的要求。

本文第4节指出,在其它条件都相同时,系统受到的外界辐射干扰对其测温精度的影响,当Ts小于T0时,将随其工作波长的变长而增大;当Ts明显高于T0时,反而随其工作波长的变长而减小。因此从这个角度看,系统的工作波长不是越短越好,也不是越长越好。不过,在短波长处,系统的温度分辨率在测温范围的低端不太理想[7];另一方面,从图6还可以看出,在其它条件不变的情况下,只需适当减小H/R,系统工作波长的变化给测温精度带来的影响就可以小到几乎可以忽略不计的程度。考虑到1·66~1·80μm、2·00~2·40μm波长范围内半导体激光器的市场供应情况,根据上面的分析和本系统对激光光源发射能量的要求[7],选择了λ= 2·0μm作为系统的工作波长。同时,选择InGaAs/I半导体激光器作为系统的测量光源。

6　测温精度

测温系统的结构设计及其测温方法都是影响测温系统测温精度的重要因素[8,10,11]。测温时,探测器接收到的信号中,既有被测目标的温度信号,又有周围环境的温度信号;后续电路中处理的信号中,既有探测器接收到的光辐射信号,又有探测器及其后续电路产生的噪声信号。引起测温误差的因素可分成5类:

(1)产生于光学器件的制作方面:如窄带干涉滤光片的中心波长及其波长带宽的制作准确度;窄带干涉滤光片的透光均匀度;调制盘的对称性与偏心度以及光学器件的排列结构等;

(2)产生于温度的测量过程:如调制盘转速的稳定性;检测探测器测量P1、P2的准确度;监测探测器测量的准确度;电路的线性放大特性以及数据处理的方法;

(3)产生于温度的测量方法:如标定过程中参考温度的实现;标定的准确性以及温度计算方法的近似程度;

(4)产生于探测器及电路的噪声:如产生于探测器、放大电路、多路模拟开关、采样保持电路以及模-数转换过程的噪声信号;

(5)产生于温度的测量原理:如因测量原理产生的发射率测量的不确定度以及由此带来的测温不确定度。

由(1)、(2)、(3)所产生的测温不确定度十分复杂。限于篇幅,作者将另文讨论。本文仅简单分析由(4)、(5)所产生的随机测温不确定度。为方便分析,可以将黑体的辐射公式写成如下的维恩定律形式

对427℃的抛光的钢铸件而言,ελ的测量不确定度为1·2%。利用式(21)算出的测温不确定度为0·117%,这是比较精确的。

7　结　论

以抛光的钢铸件(温度370~1 040℃,ελ=0·52~0·56)作测量对象。采用一个波长为2·00μm的InGaAs/I半导体激光器作为激光光源和图4所示结构的水冷遮蔽板(H/R=0·15),在温度为800 K的背景目标(其位置接近待测目标表面,且紧靠水冷遮蔽板)辐照下对待测目标进行测温实验,得到的实验结果如表1所示。从表1可见,测温不确定度较小,与上面的估算所得结果吻合,证明了前面的讨论所得结论是正确的。