雙波長(zhǎng)高精度紅外測(cè)溫儀

陸文強(qiáng),陳 靖,王 錚,徐 音,鄭建亞,孫 騫,高立模,譚成章

(南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,天津300071)

雙波長(zhǎng)高精度紅外測(cè)溫儀

陸文強(qiáng),陳 靖,王 錚,徐 音,鄭建亞,孫 騫,高立模,譚成章

(南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,天津300071)

利用雙波長(zhǎng)紅外測(cè)溫方法,通過黑體紅外輻射曲線中雙波長(zhǎng)等比吸收的原理消除了由于輻射環(huán)境中水蒸氣等外界吸收原因造成的單波長(zhǎng)紅外測(cè)溫儀中的測(cè)量誤差,實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的高精度紅外測(cè)溫.該方法繞開了傳統(tǒng)紅外測(cè)溫方法中“輻射率修正困難”的問題.同時(shí)利用此紅外測(cè)溫儀器改進(jìn)了金屬鎢電子逸出功測(cè)量實(shí)驗(yàn).

紅外測(cè)溫;雙波長(zhǎng);輻射率修正

1 引 言

紅外測(cè)溫方法屬于一種非接觸式測(cè)溫方法,該方法通過檢測(cè)物體表面發(fā)射的能量來(lái)測(cè)量溫度,具有測(cè)溫范圍廣、響應(yīng)速度快和不明顯破壞測(cè)溫場(chǎng)等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)各個(gè)方面,因此,紅外測(cè)溫儀的研制也層出不窮.紅外測(cè)溫方法是以黑體[1]輻射理論為基礎(chǔ)的.黑體是個(gè)理想化的物理模型,而自然界中實(shí)際存在的物體(測(cè)溫對(duì)象),其吸收能力及輻射能力都比黑體小,稱為灰體.灰體的光譜輻射能量為:式中 E0(λ,T)為黑體發(fā)射的光譜輻射通量密度,單位為W·cm-2·μm-1;C1=3.74×10-12W·cm2,稱為第一輻射常量;C2=1.44 cm·K,稱為第二輻射常量;λ為光譜輻射時(shí)的波長(zhǎng),單位為μm;T為黑體的絕對(duì)溫度,單位為K;ε(λ,T)為被測(cè)物體溫度為 T、輻射波長(zhǎng)為λ時(shí)的輻射率0＜ε(λ,T)≤1.

傳統(tǒng)的紅外測(cè)溫儀,一律按黑體的熱輻射定律來(lái)設(shè)計(jì),即假設(shè)儀器接收到的熱輻射與 E0(λ,T)成比例,但紅外測(cè)溫儀實(shí)際接收到的熱輻射是與 E(λ,T)成比例的.因此,在使用紅外測(cè)溫儀時(shí),必須求出被測(cè)物體的輻射率ε(λ,T)數(shù)值,即進(jìn)行輻射率修正.遺憾的是,輻射率ε(λ,T)與被測(cè)對(duì)象的材料、表面狀態(tài)、波長(zhǎng),溫度以及輻射條件、環(huán)境因素等均有復(fù)雜的關(guān)系,因此,用戶很難準(zhǔn)確地確定ε(λ,T)的數(shù)值,這就是使用傳統(tǒng)紅外測(cè)溫儀測(cè)溫遇到的輻射率修正困難[2].

曹柏林[3]等人分析了傳統(tǒng)紅外測(cè)溫儀的測(cè)溫方法在理論上的缺陷,根據(jù)替代法原理,先用實(shí)驗(yàn)方法找出被測(cè)對(duì)象(某具體物體,不是黑體)的熱輻射規(guī)律,再利用該規(guī)律來(lái)測(cè)溫,避開了傳統(tǒng)紅外測(cè)溫必須要提前獲知各種物體的“輻射率修正函數(shù)ε(λ,T)”的問題,從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)中獲得經(jīng)驗(yàn)公式的各個(gè)參量,即定標(biāo),應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)控或測(cè)溫,實(shí)現(xiàn)了高精度紅外測(cè)溫的目的.在其新型紅外測(cè)溫儀中,利用了單波長(zhǎng)窄帶濾波紅外測(cè)溫新方法實(shí)現(xiàn)了高精度測(cè)量,并發(fā)現(xiàn)在東南大學(xué)潘人培教授的“金屬(鎢)電子逸出功的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)中由于忽略了由板流引起的陰極燈絲溫度下降(因?yàn)殡娮訌年帢O發(fā)射要克服逸出功),存在著大約-1.86%的系統(tǒng)相對(duì)誤差[4].單波長(zhǎng)窄帶濾波紅外測(cè)溫方法存在著一個(gè)問題,就是對(duì)周圍環(huán)境因素吸收,如水蒸氣,有很高的依賴性,從而影響其測(cè)溫的準(zhǔn)確性.為了克服這個(gè)問題,本文中,在單波長(zhǎng)窄帶濾波紅外測(cè)溫儀的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了雙波長(zhǎng)濾波紅外測(cè)溫儀,利用黑體輻射曲線中相鄰2個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的能量等比吸收的原理,在保證紅外測(cè)溫高精度測(cè)量的基礎(chǔ)上,克服了環(huán)境對(duì)物體發(fā)射紅外線吸收造成的測(cè)量誤差.

2 實(shí)驗(yàn)原理

在經(jīng)典近似[5]情況下,C2/(λT)?1,在紅外測(cè)溫儀的測(cè)溫范圍內(nèi)滿足此條件.Plank公式可近似簡(jiǎn)化為Wien公式

如果把波長(zhǎng)λ取為定值(加窄帶濾波片)λ0,則(2)式只與溫度有關(guān),可改寫為

其中,A0=C1λ-5,B0=-C2/λ.顯然,(3)式是Wein公式的一種特殊形式(λ=λ0),仍然只適用于黑體.但(3)式明顯的指數(shù)函數(shù)形式啟發(fā)我們,只要將(3)式中的 A0和 B0視為可變參量 A和B,就可以很自然地推廣到灰體的情況,即灰體的光譜輻射能量為比較(1)式和(4)式可以看出,前者需要確定復(fù)雜的輻射率函數(shù)ε(λ,T)來(lái)實(shí)現(xiàn)從黑體到灰體的修正,后者則只需簡(jiǎn)單地改變A,B參量的值就可實(shí)現(xiàn)從黑體到灰體的修正.

在實(shí)際應(yīng)用中,由于有水蒸氣等環(huán)境因素對(duì)紅外線的吸收,利用單波長(zhǎng)紅外測(cè)溫時(shí)的單波長(zhǎng)的紅外吸收對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大的影響.所以利用相鄰兩波長(zhǎng)等比吸收的原理,取2個(gè)波長(zhǎng)的吸收能量比作為溫度的函數(shù),環(huán)境中有水蒸氣等因素的吸收造成的測(cè)量誤差即可避免.

如圖1所示,圖中較粗的曲線代表了由于環(huán)境吸收造成的溫度下降后單個(gè)波長(zhǎng)的輻射曲線,而實(shí)際輻射物體的輻射曲線為1 000 K的輻射曲線.假如取2個(gè)相鄰波長(zhǎng)(實(shí)驗(yàn)中,取900 nm和950 nm),會(huì)發(fā)現(xiàn)其吸收的比值是不變的,利用這個(gè)等比吸收原理,設(shè)計(jì)了雙波長(zhǎng)紅外測(cè)溫儀,消除了由于外界水蒸氣等吸收因素造成的測(cè)量誤差,能更穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量.

圖1 黑體的光譜輻射功率曲線

在(4)式中分別取λ1和λ2,則

(5)式與(6)式相比得

因此,只要利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定(7)式中A和B兩個(gè)系數(shù),即可得到溫度與比值 X的關(guān)系.在實(shí)際測(cè)量中,則將(7)式看作溫度 T關(guān)于 X的函數(shù),用泰勒展開,采用數(shù)值逼近的方法達(dá)到所要求的設(shè)計(jì)精度.

令:T=f(X),展開得利用獲得公式,即可測(cè)量或者監(jiān)控不同條件下的輻射溫度.

圖2是雙波長(zhǎng)紅外測(cè)溫儀實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,一定溫度 T的被測(cè)對(duì)象發(fā)出紅外輻射,通過半透半反鏡后被分成2束光,分別通過λ1窄帶濾波片和λ2窄帶濾波片后被硅光電池接收生成光伏能量,信號(hào)被 I-V變換放大電路放大成V1和V2,通過除法器后得到比值 X.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

在測(cè)量溫度前,首先對(duì)紅外測(cè)溫儀進(jìn)行定標(biāo),即確定比值 X和溫度 T的關(guān)系式中的系數(shù).首先調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)燈的不同電流可計(jì)算出不同電流下的一系列溫度 T1,T2,T3,…,通過雙波長(zhǎng)紅外測(cè)溫儀測(cè)得對(duì)應(yīng)的比值 X1,X2,X3,…,然后利用公式擬合得出相應(yīng)系數(shù).即得到此種環(huán)境下的該輻射體的紅外輻射溫度曲線公式.然后通過計(jì)算機(jī)程序設(shè)定好此系數(shù)下的計(jì)算公式,即可測(cè)量或者監(jiān)測(cè)任何情況下的輻射溫度.在實(shí)際測(cè)溫過程中,利用指數(shù)形式的多項(xiàng)式展開,能更好地獲得多項(xiàng)式的系數(shù),從而在實(shí)際操作過程中實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

圖3是2個(gè)窄帶濾波片的透射譜.從譜圖中可以看出圖3(b)具有很好的窄帶紅外透過性.

圖3 窄帶濾波片的透射譜

圖4～5是定標(biāo)確定雙波長(zhǎng)紅外測(cè)溫公式的多項(xiàng)式,為了更加精確,在實(shí)際測(cè)量中采用分段測(cè)量的方法.從擬合公式可以看出,溫度和兩路電壓比值有很好的單調(diào)關(guān)系,其中相關(guān)性 R2=0.999 8,有很高的相似性.在此條件下,利用數(shù)據(jù)采集卡和自己編寫的數(shù)據(jù)采集軟件監(jiān)測(cè)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下不同標(biāo)準(zhǔn)燈的溫度的變化,結(jié)果如圖6～8.從圖中可以看出設(shè)計(jì)的雙波長(zhǎng)紅外測(cè)溫儀具有很好的穩(wěn)定性和精度.表1是測(cè)量結(jié)果以及標(biāo)準(zhǔn)偏差.表中 T標(biāo)是根據(jù)電流計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)燈溫度,T測(cè)為雙波長(zhǎng)測(cè)溫儀測(cè)得的溫度,表中數(shù)據(jù)為監(jiān)測(cè)60 s的平均值,s為標(biāo)準(zhǔn)偏差.為了更好地驗(yàn)證雙波長(zhǎng)紅外測(cè)溫儀克服環(huán)境因素影響的實(shí)用性,對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件下的測(cè)量也是必要的工作.同時(shí),對(duì)標(biāo)準(zhǔn)燈的測(cè)量結(jié)果說(shuō)明開發(fā)的測(cè)溫儀能作為“金屬鎢電子逸出功測(cè)量實(shí)驗(yàn)”標(biāo)準(zhǔn)燈溫度的測(cè)量,能豐富其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,讓學(xué)生能夠更多地接觸紅外測(cè)溫和黑體輻射實(shí)驗(yàn)等理論和知識(shí),為拓寬學(xué)生的知識(shí)面提供更好的機(jī)會(huì).

圖4 1 300～1 700 K溫度段的定標(biāo)曲線

圖5 1 700～2 200 K溫度段的定標(biāo)曲線

圖6 1858K標(biāo)準(zhǔn)燈溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖7 1942K標(biāo)準(zhǔn)燈溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖8 1989K標(biāo)準(zhǔn)燈溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表1 不同溫度標(biāo)準(zhǔn)燈的監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

利用黑體輻射曲線中相鄰波長(zhǎng)的等比吸收的原理,設(shè)計(jì)了雙波長(zhǎng)紅外測(cè)溫儀,提出利用現(xiàn)場(chǎng)定標(biāo)的實(shí)驗(yàn)方法找出實(shí)際條件下被測(cè)對(duì)象 (某一具體物體,不是黑體)的熱輻射規(guī)律,并給與校準(zhǔn),再利用該規(guī)律在原有條件下來(lái)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)或測(cè)溫,即利用“替代法”校準(zhǔn)了該實(shí)際條件下的許多隱含參量.該方法有效地克服了紅外測(cè)溫中各種物體的“輻射率修正”難題,克服了測(cè)量條件復(fù)雜,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件波動(dòng)或者水蒸氣等因素的環(huán)境吸收造成的測(cè)量誤差,實(shí)現(xiàn)了高精度溫度測(cè)量,通過初步的“金屬鎢電子逸出功測(cè)量實(shí)驗(yàn)”的標(biāo)準(zhǔn)燈溫度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明了雙波長(zhǎng)紅外測(cè)溫儀方案的可行性.

[1]瑞德尼克B N.量子力學(xué)史話[M].黃宏荃,彭灝,譯.北京:科學(xué)出版社,1979.

[2]青山憨.輻射測(cè)量法與比輻射率(下)[J].紅外,1996(7):29.

[3]曹柏林,李芮,楊鴻升.紅外測(cè)溫原理實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn),1998,18(5):9.

[4]曹柏林,顧驥城.金屬電子逸出功和板流引起的陰極溫降現(xiàn)象[J].天津理工學(xué)院學(xué)報(bào),2001,17(3):11.

[5]尤峻漢.天體物理中的輻射機(jī)制[M].北京:科學(xué)出版社,1983.

[責(zé)任編輯:尹冬梅]

Research and development of a dual wavelength infrared thermoscope of high accuracy

LU Wen-qiang,CHEN Jing,WANG Zheng,XU Yin,ZHENG Jian-ya,SUN Qian,GAO Li-mo,TAN Cheng-zhang
(Physics Experimental Teaching Center,School of Physics,Nankai University,Tianjin 300071,China)

In this paper,stable and highly accurate temperature measurement was investigated using infrared thermoscope.Acco rding to the rule that the environment abso rp tion of dual w avelength was same in black body infrared absorp tion curve,a dual wavelength infrared thermoscope was designed to avoid the erro rs caused by radiant environment in single w avelength infrared thermoscope.The dual wavelength infrared thermosope avoided the“emissivity revising p roblem”w hich occurred in traditional inf rared thermoscope.Furthermore,the experiment of work function of tungsten filament was imp roved by using this dualwavelength infrared thermoscope,and enriched the experimental content.

infrared thermoscope;dual wavelength;emissivity revising

TN215

A

1005-4642(2011)01-0016-04

“第6屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

2010-08-05

國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金項(xiàng)目資助(南開大學(xué)物理學(xué)基地)(No.J0730315)

陸文強(qiáng)(1975-),男,河北安平人,南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院副教授,博士,主要從事近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.