雙波段比色測溫技術(shù)及實(shí)驗(yàn)測試

李云紅，王瑞華，李禹萱

(1．西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安710048;2．西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710071)

1 引言

溫度是反映物質(zhì)本身固有特性的重要參數(shù)，幾乎所有的科研和生產(chǎn)過程都和溫度息息相關(guān)。由于溫度的多種表現(xiàn)形式以及被測對象的復(fù)雜性和多樣性，使得溫度測量既是目前的研究熱點(diǎn)，也是研究難點(diǎn)。溫度測量方法主要有接觸測溫和非接觸測溫法兩大類，非接觸測溫又稱為輻射測溫。在應(yīng)用中，最早發(fā)展的是接觸測溫，這種方法是采用熱平衡的物理原理，不僅響應(yīng)速度慢、使用壽命短，而且會破壞被測目標(biāo)的溫度場分布。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對于溫度測量的要求越來越高，尤其在產(chǎn)品的質(zhì)量控制和提高經(jīng)濟(jì)效益方面，因而具有響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確、便捷和使用壽命長等優(yōu)勢的輻射測溫法得到廣泛關(guān)注和長足的發(fā)展［1－2］。

現(xiàn)有的非接觸測溫方法主要有熱像儀測溫和比色測溫，熱像儀測溫在現(xiàn)代國防、工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、科研等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，美英法等主要發(fā)達(dá)國家在紅外熱像測溫技術(shù)的研究和應(yīng)用已經(jīng)走在了世界前列，也為我們研究熱像測溫技術(shù)并做好了示范［3］。但是，熱像儀測溫技術(shù)很依賴于被測物的發(fā)射率，又容易受到大氣透過率對測溫的影響，一般都需要對測量結(jié)果進(jìn)行修正才可得到真實(shí)溫度［4－5］。后來，便有了比色測溫技術(shù)，其不但克服了要知道被測物發(fā)射率的缺點(diǎn)，且能在一定程度上消除外界對測溫系統(tǒng)的干擾，如煙霧、霧氣等［6－9］。常用的比色測溫法是選定單一的波長，但比色測溫系統(tǒng)中的濾光片是存在一定帶寬的，也就是說，單一的波長代替帶寬來計(jì)算物體真溫必然存在誤差。而且，目前比色測溫法主要應(yīng)用于高溫測量，對中低溫物體的測量還沒有成熟的技術(shù)［10－13］。

針對以上問題，提出了雙波段比色測溫的新方法，搭建了雙波段溫度測試平臺，對中低溫物體進(jìn)行非接觸測量，這為中低溫物體溫度的精確測量奠定了理論基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。

2 雙波段比色測溫的原理

非接觸測溫即輻射測溫的基本原理是基于黑體輻射的普朗克(Plank)定理。比色測溫是通過測量兩個不同波長λ1，λ2的輻射亮度L(λ)之比來確定被測目標(biāo)溫度T，也稱為雙色測溫。一般選定兩個紅外波長和一定帶寬下，收集兩個相近波段內(nèi)的輻射能量，將它們轉(zhuǎn)化為電信號后再進(jìn)行計(jì)算和比較，進(jìn)而由比值確定被測目標(biāo)的溫度。所以，其特點(diǎn)是可以消除測量路徑上的大氣、煙霧、灰塵等因素帶來的干擾。但是，由于信號收集時是兩個窄波段(Δλ1，Δλ2)而不是單波長 λ1，λ2的值，所以在信號能量較小時，測量結(jié)果的誤差較大，且窄波段的寬度也將直接影響測量精度。

雙波段比色測溫是要測量被測目標(biāo)在兩個波段上的輻射積分，然后由其比值來確定被測目標(biāo)的輻射溫度。

設(shè)黑體輻射出射度M0(λ，T)，那么溫度為T、發(fā)射率為ε(λ)的目標(biāo)在紅外探測器上的光譜輻射照度為:

式中，D和f'分別為光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑和焦距;τa(λ)和τ0(λ)分別為大氣和光學(xué)系統(tǒng)的光譜透過率。那么，在 Δλi∈［λmin，λmax］波段，探測器輸出的信號電平為:

其中，RV(λ)為探測器光譜響應(yīng);A為探測器單元的面積。

在雙波段測溫時，通常假設(shè)被測目標(biāo)為灰體，即ε(λ)=ε0(常數(shù))，又因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)的測試距離有限，即大氣透過率τa(λ)可忽略，那么雙波段信號的比值定義為:

從式(3)可知，只要準(zhǔn)確測出不同波段內(nèi)探測器接收到的目標(biāo)輻射的電壓值U1(T)和U2(T)，測量并擬合出探測器在不同波段內(nèi)的光譜響應(yīng)率RV(λ)函數(shù)，各波段內(nèi)光譜透過率函數(shù) τa(λ)和τ0(λ)，代入式(4)即可得到目標(biāo)輻射源的一組溫度值T。本課題對光路系統(tǒng)的積分波段有三組，即可得到三組，對多組溫度值T做平均可更準(zhǔn)確地得到目標(biāo)輻射源的溫度:

3 雙波段比色測溫的實(shí)驗(yàn)

3．1 實(shí)驗(yàn)平臺

如圖1所示，波段比色測溫裝置主要由被測物、聚光光學(xué)系統(tǒng)、斬波器、濾光光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號分析系統(tǒng)組成。系統(tǒng)測溫原理:被測物的輻射光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的斬波器和濾光后聚焦于探測器上，然后經(jīng)過信號處理系統(tǒng)輸出電壓值。本課題選用三組濾光片(中心波長分別為 8645 nm，10700 nm，14100 nm)，對測量的電壓值兩兩相除求比值Z(T)，代入式(4)可得多組溫度值T，再將T代入式(5)，可準(zhǔn)確求出被測物體的真實(shí)溫度。

圖1 雙波段比色測溫系統(tǒng)原理圖Fig．1 block diagram of dualwaveband colorimetric temperaturemeasurement

3．2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的標(biāo)定

3．2．1 探測器相對光譜響應(yīng)率

在測量電壓時，如果是理想型探測器，其光譜響應(yīng)率為1，然而實(shí)驗(yàn)中都是非理想的探測器，所以必須知道非理想探測器的光譜響應(yīng)率。本課題搭建的實(shí)驗(yàn)平臺選用的是液氮制冷型碲鎘汞探測器，其相對光譜響應(yīng)率數(shù)據(jù)來源于英國國家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)，如圖2所示。

圖2 液氮制冷型碲鎘汞探測器相對響應(yīng)率Fig．2 the liquid nitrogen refrigeration HgCdTe detector relative response rate

3．2．2 濾光片與探測器的匹配相對響應(yīng)率函數(shù)

本課題選用的濾光片分別為:①中心波長8645 nm，帶寬550 nm;②中心波長10700 nm，帶寬480 nm;③中心波長14100 nm，帶寬480 nm。對濾光片進(jìn)行匹配擬合時，均選取置信因子為0．95。那么可得各個濾光片的匹配相對響應(yīng)率數(shù)據(jù)如下:

(1)中心波長8645 nm濾光片

表1 中心波長8645 nm濾光片與探測器匹配曲線擬合數(shù)據(jù)Tab．1 the center wavelength of 8645 nm filter and detectormatching curve fitting data

表1的擬合函數(shù)為:

其中，擬合參數(shù)為:p1=0．007333，p2= － 0．03426，p3=0．2552。

(2)中心波長10700 nm濾光片

表2 中心波長10700 nm濾光片與探測器匹配曲線擬合數(shù)據(jù)Tab．2 the center wavelength of 10700 nm filter and detectormatching curve fitting data

表2的擬合函數(shù)為:

其中，擬合參數(shù)為:p1= － 0．1212，p2=5．025，p3=－77．97，p4=536．8，p5= －1383。

(3)中心波長14100 nm濾光片

表3 中心波長14100 nm濾光片與探測器匹配曲線擬合數(shù)據(jù)Tab．3 the center wavelength of 14100 nm filter and detectormatching curve fitting data

表3的擬合函數(shù)為:

其中，擬合參數(shù)為:p1= － 0．2012，p2=8．504，p3=－120，p4=565．8。

3．2．3 濾光片透過率函數(shù)

用光譜光度計(jì)對三組濾光片測量透過率，將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其置信因子為0．95，可得:

(1)中心波長8645 nm濾光片的透過率

圖3 中心波長8645 nm濾光片透過率擬合曲線Fig．3 the center wavelength of8645 nm filter transmittance curve fitting

圖3的擬合函數(shù)為:

其中，擬合參數(shù)為:a1=69．8，b1=1178，c1=19．66，a2=4．276，b2=1169，c2=41，a3=72．61，b3=1148，c3=22．5，a4=43．62，b4=1127，c4=13．77。

(2)中心波長10700 nm濾光片的透過率

圖4 中心波長10700 nm濾光片透過率擬合曲線Fig．4 the center wavelength of10700 nm filter transmittance curve fitting

其中，擬合參數(shù)為:a1=40．21，b1=957．8，c1=13．23，a2=23．28，b2=916，c2=9．789，a3=71．66，b3=932．2，c3=25．54。

(3)中心波長14100nm濾光片的透過率

圖5 中心波長14100 nm濾光片的透過率擬合曲線Fig．5 the center wavelength of14100 nm filter transmittance curve fitting

圖5的擬合函數(shù)為:

其中，擬合參數(shù)為:a1=6．888，b1=714，c1=5．987，a2=25．85，b2=717．5，c2=19．76，a3=19．45，b3=725，c3=10．86，a4=34．58，b4=700．5，c4=15．27，a5=7．82，b5=736．1，c5=5．681。

4 雙波段測溫系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析

本實(shí)驗(yàn)選用美國SBIR公司研制的面源黑體對50～400℃范圍進(jìn)行測量，既可完成對被測目標(biāo)的溫度測量，又能進(jìn)行溫度誤差的分析。設(shè)定每隔10℃進(jìn)行測量，計(jì)算出比值并代入式(4)，可計(jì)算溫度T，再根據(jù)式(5)得到更為精確的被測目標(biāo)的溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 雙波段測溫系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig．6 the experimental results of dual waveband colorimetric temperaturemeasurement

由圖6可知，搭建的雙波段比色測溫系統(tǒng)測量中低溫物體的理論是正確、可行的。但是，該實(shí)驗(yàn)測量的溫度誤差仍然較大，經(jīng)分析，主要原因?yàn)樾盘柼幚淼乃惴ú粔蚓_，實(shí)驗(yàn)中鎖相放大器的精度有限，以及外界環(huán)境對光路的影響。所以，應(yīng)該改善數(shù)據(jù)算法，提高鎖相放大器的精度，采取措施屏蔽外界的影響。如此，雙波段測溫系統(tǒng)的測溫精確度將會大幅度提高。

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)在工業(yè)發(fā)展對溫度測量的要求，即便捷、真溫、高精確度以及對溫度測量范圍的延伸，提出了雙波段比色測溫的實(shí)驗(yàn)方法，并介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。然后用面源黑體對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)。最后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)方法，以便后面更精確的溫度測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:雙波段比色測溫法對中低溫物體的真實(shí)溫度能夠進(jìn)行較為精確的測量，誤差基本在5℃以內(nèi)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本滿足用雙波段比色測溫法對中低溫物體進(jìn)行精確溫度測量的要求。

［1］ Dai Jingmin．Theory and practice of multi-spectral thermometry［M］．Beijing:Higher Education Press，2002．(inChinese)

戴景民．多光譜輻射測溫理論與應(yīng)用［M］．北京:高等教育出版社，2002．

［2］ Wang Kuihan．Temperaturemeasurement technology［M］．Beijing:China Machine Press，2006．(in Chinese)

王魁汗．溫度測量實(shí)用技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［3］ Sun Xiaogang，Li Yunhong．Review of the development of temperaturemeasurement technology with infrared thermal imager［J］．Laser ＆ Infrared，2008，38(2):101 － 104．(in Chinese)

孫曉剛，李云紅．紅外熱像儀測溫技術(shù)發(fā)展綜述［J］．激光與紅外，2008，38(2):101 －104．

［4］ Li Yunhong，Sun Xiaogang，Yuan Guibin．Accurate measuring temperaturewith infrared thermal imager［J］．Optics and Precision Engineering，2007，15(9):1336 － 1341．(in Chinese)

李云紅，孫曉剛，袁桂彬．紅外熱像儀精確測溫技術(shù)［J］．光學(xué) 精密工程，2007，15(9):1336 －1341．

［5］ Li Yunhong，Zhang Long，Wang Yannian．Second calibration of atmospheric transmission coefficients on temperaturemeasurementof infrared thermal imager in fields［J］．Optics and Precision Engineering，2008，18(10):2143 －2148．(in Chinese)

李云紅，張龍，王延年．紅外熱像儀外場測溫的大氣透過率二次標(biāo)定［J］．光學(xué) 精密工程，2010，18(10):2143－2148．

［6］ Zhao Yugang，Yang Fan，Zhou Weifang．A Research on temperature fieldmeasurement technology based on colorimetric temperature measurement［J］．Control ＆ Automation，2008，24(8):298 －299．(in Chinese)

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(jì)算機(jī)信息，2008，24(8):298 －299．

［7］ Adam Mazikowski，Marcin Gnyba．Experimental verification of multiband system for non-contact temperature measurements［J］．SPIE，5258:198 －201．

［8］ Julia H Renta，David Mansur，Robert Vaillancourt，et al．Two-band Infrared thermographer for standoff temperature measurements［J］．SPIE，6010:1 －8．

［9］ Li Yamei．The realization of colorimetric temperature measurement system［J］．Journal of Civil Aviation Flight of China，2010，21(4):41 －42．(in Chinese)

李亞梅．比色測溫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］．中國民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，21(4):41 －42．

［10］ Xing Jichuan Liu Guangrong，Jin Weiqi，et al．Dual waveband chromatic thermometry and its analysis［J］．Infrared Technology，2002，24(6):73 －76．(in Chinese)

邢冀川，劉光榮，金偉其，等．雙波段比色測溫方法及其分析［J］．紅外技術(shù)，2002，24(6):73 －76．

［11］ Xu Baochang，Zhang Dingyuan．An improved colorimetric temperature measurement method［J］．Opto-Electronic Engineering，2011，38(4):1 －6．(in Chinese)

徐寶昌，張丁元．一種改進(jìn)的比色測溫方法研究［J］．光電工程，2011，38(4):1 －6．

［12］ Liu Chunhong，Wang Peng，Xia Xutang，et al．Influence of bandwidth on error in colorimetry temperature measurement［J］．Jaurnal of Atmospheric and Environmental Optics，2011，6(3):240 －242．(in Chinese)

劉純紅，王鵬，夏需堂，等．比色測溫理論中寬帶對測量誤差影響的研究［J］．大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2011，6(3):240－242．

［13］ Ma Dongdong．Research on radiation thermometry based on infrared/visible light technology［D］．Harbin:Harbin Engineering University，2011．(in Chinese)

馬東棟．基于紅外/可見光技術(shù)的輻射測溫技術(shù)研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011．