大型鍛件鍛造過程中溫度在線測量系統(tǒng)

劉海瀾 張玉存 付獻斌

(1.中國第一重型機械股份公司，黑龍江161042；2.燕山大學(xué)，河北066004)

紅外測溫技術(shù)具有使用方便、快速、準(zhǔn)確、非接觸、無損測量等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用[1]。廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫的雙波長紅外測溫儀受被測物體比輻射率的影響小，能排除中性介質(zhì)(例如煙霧、灰塵等)對測溫精度的影響，抗干擾性強[2，3]。張忠恒提出的雙波長測溫方法在數(shù)學(xué)推導(dǎo)基礎(chǔ)上找出了避開“輻射率修正困難”的方法，彌補了紅外測溫儀準(zhǔn)確度不高的缺陷，可以精確測出被測對象溫度[3]。孫志遠(yuǎn)等提出測溫前先使用標(biāo)準(zhǔn)黑體對測溫系統(tǒng)進行標(biāo)定，得到標(biāo)定曲線R(T)-T。在測量目標(biāo)的溫度時，在目標(biāo)附近放置一個超大面元黑體來消除環(huán)境反射輻射和大輻射等輻射量的影響，提高紅外測溫系統(tǒng)的精度[5]。趙玉剛等提出了通過改進比色測溫的算法來減小測溫誤差[6]。施德恒設(shè)計的雙波長高精度光纖測溫儀通過分析儀器相對溫度的分辨率和靈敏度對儀器工作波長與波長帶寬進行了優(yōu)化設(shè)計，提高測溫精度[7]。還有應(yīng)用于高溫測量的多波長高溫計，它是利用目標(biāo)的多光譜輻射測量信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到目標(biāo)真溫和材料光譜發(fā)射率[8]。上述測溫方法有些理論上確實能提高測溫精度但缺乏實踐，在一些特殊大型測溫環(huán)境放置超大面元黑體是不實際的，而且由于被測對象本身狀態(tài)的變化和周圍復(fù)雜環(huán)境的干擾都直接影響雙色信號的比值而產(chǎn)生溫度誤差。有些方法雖然能提高測溫精度，但測溫儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時給計算和分析處理也增加了難度，實用性差。

本文基于紅外雙譜色測溫原理提出了一種高精度的紅外測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙通道結(jié)構(gòu)通過寬帶濾光片和三級干涉濾光器結(jié)合對接受的紅外光譜進行濾波，得到兩個單譜色光。該結(jié)構(gòu)能夠充分的抑制鍛件周圍背景光和環(huán)境光源輻射，提高信噪比，減小測溫誤差，更精確的得到鍛件溫度。

1 紅外測溫系統(tǒng)

整個系統(tǒng)分為四個模塊：光學(xué)模塊、測溫模塊、信息處理模塊、顯示模塊。該紅外測溫系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。高溫鍛件表面輻射發(fā)出的紅外波譜由光學(xué)模塊的聚光鏡收集，再經(jīng)過散光鏡將光束變成平行光。經(jīng)寬帶濾光片可透過包括預(yù)測波長的寬帶光。寬帶光到達分光片一部分透過分光片進入三級干涉濾光器a，得到中心波長為λ1的窄帶光，再經(jīng)過牛頓雙反射鏡和場鏡將透射光收集到紅外探測器1；另一部分寬帶光由分光片反射經(jīng)三級干涉濾光器b，得到中心波長為λ2的窄帶光，最后收集到紅外探測器2。然后將兩個紅外探測器探測到的不同波長的單譜色光信號轉(zhuǎn)變成電信號，分別接到信號處理系統(tǒng)的第1通道和第2通道，第1通道的信號通過前置放大和主放電路將信號放大后接入數(shù)據(jù)采集卡的一個輸入口，同樣第2通道的信號通過前置放大和主放電路將信號放大后接入數(shù)據(jù)采集卡的另一個輸入口。本系統(tǒng)選用NI的PCI-6071E數(shù)據(jù)采集卡，將采集到的數(shù)據(jù)信號通過PCI總線連接計算機，利用VB軟件對信號進行實時分析處理，最終計算出鍛件溫度。

圖1 紅外測溫工作原理圖Figure 1 The functional diagram of infrared temperature measurement

2 系統(tǒng)測溫原理

單級干涉濾光片如圖2所示，由兩個石英板構(gòu)成，折射率為n，兩板的內(nèi)表面平行，并鍍有高反射率膜層，組成一個具有高反射率表面的空氣層平行平板，空氣層間隙為h。對輻射的紅外光譜具有干涉濾光的作用，可透過特定波長的光譜。三級干涉濾光器如圖3所示，它由三個不同空氣間隙的單級干涉濾光片組成。三個單級濾光片固定封裝殼內(nèi)，通過設(shè)定三個單級干涉濾光片的間隙，三個單級干涉濾光片有不同的透射光譜，相互疊加后最終透過一單譜色光，同時各濾光片按60°角放置，使其中的反射光偏離透射光的范圍，以免干擾。該結(jié)構(gòu)充分的抑制了物體周圍背景光和環(huán)境光源的干擾，并保證了特定單色光的通過。

圖2 單級干涉濾光片原理圖Figure 2 The schematic diagram of single stage interference filter

圖3 三級干涉濾光器Figure 3 Three-stage interference filter

總透射光為所有這些透射光的和，即

=Ad2(1+r2ei+b+r4ei+2b+

…+r2(p-1)ei+(p-1)b+…)

其中，R=r2，D=d2，R+D=1。

則透射光強度為：

即

其中，φ=4πnhcos60°λ。

則單級干涉濾光片的透過率為：

如果要求干涉濾光片的中心波長為λ0，即要使波長為λ0透射率最大，須讓sin2φ/2最小，即：sin2φ/2=0，則得到φ=2mπ。將φ值代入φ=4πnhcos60°λ得：

ml0=2nhcos60°(m=1、2、3…)

式中，m為干涉級次。三級干涉濾光器由三個不同間隙的單級干涉濾光片組成，即三級干涉濾光器濾光作用是三個單級干涉濾光片疊加后的作用效果。那么三級干涉濾光器要同時滿足三個單級干涉濾光片透過率公式，可透射三個單級濾光片相互疊加后的光譜，其他光譜將被濾掉。

要測量高溫鍛件的溫度，測溫系統(tǒng)要求兩個通道分別透過波長為λ1和λ2的單色光，利用雙譜色測溫原理求出溫度。所測高溫鍛件溫度為700～1 500℃，所以選取近紅外波譜范圍的兩個波長分別為2.125 μm和2.155 μm。本文選取寬帶濾光片透光波段為2.065 μm ～2.265 μm，測溫系統(tǒng)接受到鍛件輻射的紅外波譜經(jīng)兩個通道的濾光系統(tǒng)，濾出兩個特定波長的單譜色光，分別由兩個紅外探測器接受并轉(zhuǎn)換成電壓信號，得到兩單譜色光的輻射功率比 ，將其代入測溫公式

即可得到鍛件溫度。又因為兩波長非常接近，可認(rèn)為ελ1≈ελ，三級干涉濾光器透過的特定光的半波寬度Δλ1、Δλ2非常窄，近似于單譜色光，故Δλ1、Δλ2可忽略。最終測溫公式可簡化為：

3 實驗驗證

為了驗證本文開發(fā)的測溫系統(tǒng)的實用性和精度值，對30CrMn2Mo鋼小鍛件進行了測溫實驗。

實驗儀器：紅外探測系統(tǒng)，測溫范圍是500～1 550℃；光電測溫儀，測溫范圍是700～1 800℃，精度為0.01%；計算機。

紅外測溫系統(tǒng)為本文開發(fā)的基于三級干涉濾光器的大型鍛件紅外測溫系統(tǒng)。該紅外測溫系統(tǒng)兩個通道的濾光系統(tǒng)為寬帶濾光片和三級干涉濾光器組成，透射波長分別為2.125 μm和2.155 μm。紅外探測器采用DPbs3200紅外探測器，可探測0.8 μm～3.2 μm波段的微弱紅外輻射，光敏面尺寸6 mm×6 mm，峰值波長≥2.1 μm，時間常數(shù)≤400 μs，頻率響應(yīng)范圍100 Hz ～1 000 Hz。

將光電測溫儀的接觸探頭放在鍛件表面，紅外測溫系統(tǒng)對準(zhǔn)鍛件并和計算機連接好，然后對從爐內(nèi)取出的鍛件進行實驗測量。從中隨機抽取了14組數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data

精度是反映儀表誤差大小的術(shù)語，測溫系統(tǒng)精度δ=(△max)/(Amax)×100%(△max為最大測量誤差；Amax為儀表量程)。根據(jù)表2測溫結(jié)果計算δ=1.6/800×100%=0.2%，證明紅外測溫系統(tǒng)的精度滿足測溫要求。

4 結(jié)論

本文提出的基于三級干涉濾波器的紅外測溫系統(tǒng)，利用寬帶濾光片和三級干涉濾波器結(jié)合濾光充分的抑制了鍛件周圍背景光和環(huán)境光源的干擾，可降低因鍛件周圍環(huán)境升溫引起的測溫誤差。同時雙通道系統(tǒng)透過近似于單色光的窄帶光譜，提高測溫系統(tǒng)的精度。最后通過實驗室測溫實驗，驗證了本文開發(fā)的紅外測溫系統(tǒng)精度達到0.2%，滿足了大型鍛件在線測溫精度要求。

[1] 鄭忠，何臘梅.紅外測溫技術(shù)及在鋼鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].工業(yè)加熱，2005，34(3)：25-29.

[2] 陳衡著.紅外物理學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1985：31-48.

[3] 邢向華.非制冷紅外熱成像測溫技術(shù)與系統(tǒng)研究[D].江蘇：南京理工大學(xué)，2004.

[4] 張忠恒.雙波長紅外測溫儀的研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2007.

[5] 孫志遠(yuǎn)，李清安，喬彥峰，等.提高紅外測溫系統(tǒng)測溫精度的研究[J].儀器儀表學(xué)報，2006，27(6)：67-69.

[6] 趙玉剛，楊帆，周維芳.基于比色測溫的溫度場測量技術(shù)研究[J].微計算機信息，2008，24(8)：298-299.

[7] 戴景民，楊茂華，褚載祥.多波長輻射測溫儀及其應(yīng)用[J].紅外與毫米波學(xué)報，1995，14(6)：461-466.

[8] 王波，趙果榮.微控紅外雙色測溫儀的應(yīng)用[J].包鋼科技，2005，31(1)：56-59.