激光吸收法輻射測溫技術(shù)研究

王闊傳 張俊祺 張 奇

(北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，溫度測量越來越受到重視，并且對測量準(zhǔn)確度的要求也越來越高，隨著科研軍事及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的發(fā)展壯大，溫度測量與控制的研究也得到了有力的推進(jìn)。

目前，按照溫度傳感器的使用方法，測溫方法可分為接觸法和非接觸法兩種。接觸測溫法的優(yōu)點(diǎn)為測得的溫度是物體的真實(shí)溫度，其缺點(diǎn)是動態(tài)特性差，由于要接觸被測物體，故對被測物體的溫場分布有影響，而且受傳感器材料耐溫上限的限制，不能應(yīng)用于超高溫測量等。非接觸測溫又稱為輻射測溫。輻射測溫在理論上不存在測溫上限，具有測溫范圍廣、響應(yīng)速度快、不破壞被測對象溫場等特點(diǎn)。因此在實(shí)際應(yīng)用中，輻射測溫技術(shù)越來越受到重視[1]。

激光吸收輻射測溫法(Laser absorption radiation thermometry, LART)，最早在上世紀(jì)60年代由德國PTB的De Witt和Kunz等人進(jìn)行了研究。而后在90年代這個方法在英國和法國得到發(fā)展，之后又作為歐洲合作項(xiàng)目進(jìn)行了進(jìn)一步研究，其目的是在工業(yè)上解決真實(shí)溫度測量問題[1]。激光吸收輻射測溫法在輻射測溫領(lǐng)域突破了不破壞溫場是輻射測溫優(yōu)勢的傳統(tǒng)思想，通過主動破壞溫場達(dá)到測量發(fā)射率比的目的，理論上可以完全消除發(fā)射率以及環(huán)境輻射等因素的影響，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

2 輻射測溫技術(shù)發(fā)展中遇到的主要問題

在實(shí)際應(yīng)用中由于絕大多數(shù)測溫對象都是非黑體，將黑體輻射定律直接用于實(shí)際測溫就會偏離真實(shí)溫度。在目前的情況下，用輻射測溫儀器直接讀取物體真實(shí)溫度還存在很多的困難，大多數(shù)的測溫儀所測量的溫度依然是輻射溫度、亮溫度和色溫度。

利用傳統(tǒng)輻射測溫方法進(jìn)行溫度測量時，通常會面臨以下三個問題：

(1)發(fā)射率對測量結(jié)果的影響。被測目標(biāo)的發(fā)射率會隨著材料的不同產(chǎn)生很大的變化，并且通常情況下不易獲得。在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用中，目標(biāo)發(fā)射率還會隨著粗糙度、氧化程度以及受污染程度等的不同而產(chǎn)生變化，會對測量結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。

(2)環(huán)境輻射對測量結(jié)果的影響。環(huán)境輻射的影響問題長期以來都被忽視，對此的專門研究較少。當(dāng)周圍環(huán)境溫度較高或者目標(biāo)表面反射率較高時這一問題便會凸現(xiàn)出來。例如，對被置于高溫爐內(nèi)的樣品或者對汽輪機(jī)渦輪葉片進(jìn)行測量時，環(huán)境輻射的影響便不能被忽略。

(3)光路中氣體對輻射能量的吸收問題。光路中氣體介質(zhì)會對光譜中某些特定波段進(jìn)行吸收，當(dāng)吸收波段與探測波段重疊時，會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

針對以上問題前人已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，為了減少發(fā)射率影響，相關(guān)學(xué)者多年來研究了許多方法，例如發(fā)射率修正法、逼近黑體法、測量反射率法、偏振光法、反射信息法[2]等等。但這些方法在實(shí)際應(yīng)用中都存在著各自局限性，均不能從根本上消除發(fā)射率的影響。因此，如何消以上各因素的影響，在惡劣環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)溫度值的長期高準(zhǔn)確度測量，對于軍事科研以及實(shí)際應(yīng)用都具有十分重要的意義。

3 激光吸收法輻射測溫技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 德國PTB的研究方法[4]

激光吸收法輻射測溫技術(shù)最早在上世紀(jì)60年代就由德國的De Witt和Kunz等人進(jìn)行了研究。該方法的測溫思想是：將兩束不同波段的激光分時的照射到待測樣品表面，調(diào)整兩束激光的功率值，使得樣品表面產(chǎn)生相同的溫升。這樣亮度的非線性、被加熱點(diǎn)的能量損失和輻射隨溫度的變化都不必考慮。測量兩束激光的功率比就得到樣品表面在兩波長下的吸收率比。依據(jù)Kirchhoff定律，兩波長下物體吸收率之比便是兩波長下物體發(fā)射率之比。關(guān)閉激光后，采用與比色測溫相同的方法，將發(fā)射率之比的測量數(shù)據(jù)代入到比色測溫公式中便可得到樣品真實(shí)溫度。

實(shí)驗(yàn)中采用波長分別為520.8nm和647.1nm的激光器對目標(biāo)表面進(jìn)行照射，在目標(biāo)表面引起微小溫升；采用中心波長為745nm的探測器進(jìn)行探測。調(diào)整兩激光的功率比使得兩激光引起的目標(biāo)表面溫升相等。當(dāng)關(guān)閉激光后，物體表面在兩激光波長下的輻射比被輻射測溫儀測量，代入發(fā)射率比就可由比色高溫計(jì)公式計(jì)算出物體真溫。實(shí)驗(yàn)采用鎢燈管作為被測樣品，將樣品加熱到1415K進(jìn)行測量，測量所得發(fā)射率比與查詢文獻(xiàn)值所得發(fā)射率比偏差在0.5%以內(nèi)。該方法從原理上消除了發(fā)射率所帶來的影響，但并未消除環(huán)境輻射所帶來的影響。

3.2 法國國家科學(xué)研究院的研究方法[5,6]

自上世紀(jì)90年代開始，法國國家科學(xué)研究院的Thierry Loarer和Jean-Jacques Greffet等人進(jìn)行了大量關(guān)于激光吸收輻射測溫法的研究。研究人員分別對調(diào)制激光以及脈沖激光兩種加熱方式進(jìn)行了研究。該方法的測溫思想是：采用單束周期調(diào)制過的激光束照射樣品表面，在樣品表面引起周期性變化的微小溫升，采用兩臺不同波段的探測器進(jìn)行探測，利用鎖相放大器將周期性的溫升信號與非周期性的環(huán)境輻射信號分離，再將兩信號相比即可消除溫升項(xiàng)從而測得溫度。

該實(shí)驗(yàn)中采用304L合金鋼作為加熱樣品，將樣品置于加熱爐中。將加熱爐溫度設(shè)置為1000K，此時，樣品溫度由熱電偶測得為780K左右。在此條件下周圍環(huán)境輻射將不能被忽略。實(shí)驗(yàn)中假設(shè)樣品表面為灰體(ελ1=ελ2)，測得溫度偏差在20K以內(nèi)，經(jīng)發(fā)射率校正后溫度偏差在10K內(nèi)。結(jié)果表明，在環(huán)境輻射與樣品本身輻射處于同一量級并且遠(yuǎn)高于激光輻射的情況下，不存在系統(tǒng)誤差，表明系統(tǒng)消除了周圍環(huán)境對測量結(jié)果所造成的影響，但此方法并未消除發(fā)射率的影響。

3.3 英國NPL的實(shí)驗(yàn)方法[7～9]

進(jìn)入21世紀(jì)后，以G J Edwards和 A P Levick為首的研究團(tuán)隊(duì)，在前人的基礎(chǔ)上對激光吸收輻射測溫技術(shù)做了進(jìn)一步研究并提出了激光免發(fā)射率測溫技術(shù)(Laser Emissivity Free Thermometry，LEFT)，這一技術(shù)在英國NPL首先得到了研究且前景廣闊。裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LEFT裝置整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of LEFT device

該方法在前人研究基礎(chǔ)上，對測量方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用兩束不同波段的周期性激光對目標(biāo)表面進(jìn)行照射。當(dāng)利用波長為λ1的激光束對樣品進(jìn)行照射時，利用波長為λ2的光電探測器進(jìn)行探測；同理，當(dāng)利用波長為λ2的激光束對樣品進(jìn)行照射時，采用波長為λ1的光電探測器進(jìn)行探測。將兩探測信號相比就可以消除發(fā)射率項(xiàng)，從而得到目標(biāo)表面真溫。

實(shí)驗(yàn)樣品為一塊氧化鐵合金，樣品被放置在一個470℃～970℃的加熱爐內(nèi)，裝置在大于630℃時的測溫偏差不高于3℃。該方法在原理上消除了發(fā)射率以及環(huán)境輻射的影響。

此外，NPL還將此套設(shè)備拓展為 “Multi-LART”，應(yīng)用于測量其它熱物性參數(shù)，例如熱擴(kuò)散率、導(dǎo)熱系數(shù)、光譜發(fā)射率等?！癕ulti-LART”裝置對于滿足工業(yè)復(fù)雜現(xiàn)場需求方面具備很大的潛力。

4 激光吸收法輻射測溫技術(shù)原理

將一束調(diào)制過的，波長為λ0且隨時間周期性變化的激光照射到樣品表面上，將會在目標(biāo)表面引起周期性變化的溫升，其示意圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2 Experimental schematic diagram

假設(shè)激光束光強(qiáng)符合高斯分布，則激光束在樣品表面產(chǎn)生局部的、隨時間周期性變化的溫升ΔT(t)。

采用光電探測器對樣品表面熱輻射進(jìn)行探測，采用鎖相放大器對探測器所測得信號進(jìn)行相敏檢波處理，將信號中直流項(xiàng)與交流項(xiàng)分離，僅保留探測信號的一階項(xiàng)。此時信號值可表示為

(1)

為了消去ΔT1(t)項(xiàng)，在兩個波長下進(jìn)行測量，探測波長分別為λ1和λ2，然后將兩探測信號相比

(2)

將式中的黑體普朗克函數(shù)由維恩近似公式代替并將式中常量由系數(shù)K代替可得

(3)

式中:K——事先標(biāo)定所得系數(shù)，由上式便可計(jì)算得到物體溫度。

5 目前研究進(jìn)展情況

目前國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域并沒有可供參考的研究內(nèi)容。根據(jù)實(shí)際需求情況，北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所提出一套技術(shù)方案，對激光吸收法輻射測溫技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

5.1 實(shí)驗(yàn)光路設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置對單激光和雙激光兩種模式進(jìn)行驗(yàn)證。裝置主要由激光器、光電探測器、光路系統(tǒng)、鎖相放大器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成。裝置示意圖如圖3所示。

圖3 裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the device

單激光模式光路與雙激光模式光路類似，在本文實(shí)驗(yàn)中共用一套光路系統(tǒng)，采用更換濾光片的方式實(shí)現(xiàn)不同波長下信號值的探測，單激光模式中只需開啟一套所需波段的激光即可。

實(shí)驗(yàn)測溫流程為：首先將樣品置于樣品加熱裝置內(nèi)達(dá)到所需溫度，樣品加熱裝置由專用PID控溫器進(jìn)行準(zhǔn)確控溫；采用機(jī)械斬波器對激光進(jìn)行周期調(diào)制；調(diào)制后的激光經(jīng)反射鏡片反射后照射到樣品表面，在樣品表面產(chǎn)生與調(diào)制信號同頻的周期性溫升信號；樣品表面溫升信號經(jīng)聚光透鏡匯聚；匯聚后的熱輻射信號經(jīng)窄帶濾光片濾光后被光電探測器測得；探測器輸出信號與斬波器調(diào)制參考信號經(jīng)鎖相放大器進(jìn)行相敏檢波處理，其輸出信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集并處理。

實(shí)驗(yàn)中采用OE1022型鎖相放大器，其動態(tài)儲備可達(dá)到100dB以上，即表示系統(tǒng)能容忍的噪聲可以比有用信號高出105倍，可滿足實(shí)驗(yàn)需求；激光器采用980nm和1550nm兩個波段，激光采用光纖耦合，其輸出口尾部有1m長尾纖，其末端準(zhǔn)直器可在焦距40cm處匯聚為直徑小于4mm的激光光斑；光電探測器采用thorlab公司的PDA20C可調(diào)增益銦鎵砷(InGaAs)阻抗光電放大器。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

由前文測溫模型推導(dǎo)部分可知，在進(jìn)行溫度測量之前需要得到標(biāo)定系數(shù)K。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)樣品采用表面涂黑不銹鋼樣品，置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)樣品加熱裝置中進(jìn)行加熱，樣品加熱裝置可實(shí)現(xiàn)室溫～800℃內(nèi)溫度調(diào)節(jié)。樣品溫度由埋藏在樣品中的K型熱電偶測得。

單激光和雙激光兩種模式的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置如表1所示。

表1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置

兩種模式下標(biāo)定實(shí)驗(yàn)所得系數(shù)K值分別為0.821和0.2508，將測得的系數(shù)值用于后續(xù)測溫實(shí)驗(yàn)。

由于樣品在較低溫度下輻射能量較小，并且實(shí)驗(yàn)中由于樣品加熱裝置的限制實(shí)驗(yàn)溫度只能達(dá)到800℃左右，因此在本文中只針對發(fā)射率較高的兩種樣品，即發(fā)射率大于0.95的表面涂黑處理樣品和發(fā)射率大于0.85的重度氧化處理樣品進(jìn)行測溫實(shí)驗(yàn)。

兩種模式針對兩種樣品各溫度點(diǎn)下測溫偏差值如圖4，圖5所示。

圖4 單激光模式兩種樣品測溫偏差分布圖Fig.4 Two kinds of sample temperature deviation map in single laser mode

圖5 雙激光模式兩種樣品測溫偏差分布圖Fig.5 Two kinds of sample temperature deviation map in double laser mode

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在目前裝置條件下，兩種模式中對于表面涂黑處理樣品，當(dāng)溫度達(dá)到500℃以上的情況下，測量偏差平均值均可維持在5℃以內(nèi)。但更換樣品后，即樣品發(fā)射率發(fā)生變化后，在低溫段對測溫性能影響較大，隨溫度升高，測溫偏差逐漸變小，證明裝置在高溫段具有更好的測溫性能。對目前裝置存在的主要問題及其原因總結(jié)有以下幾點(diǎn)：

(1)前期為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理，裝置結(jié)構(gòu)簡單，后續(xù)可采用光學(xué)套筒等將光路封閉起來，從而消除周圍環(huán)境輻射影響；

(2)樣品加熱裝置波動性較大，受環(huán)境影響明顯；實(shí)驗(yàn)點(diǎn)間間隔溫區(qū)較大，測試溫區(qū)窄，測試點(diǎn)較少，導(dǎo)致軟件擬合精度變差；

(3)濾光片不能達(dá)到理想濾光狀態(tài)，樣品表面反射回的激光進(jìn)入到探測光路內(nèi)造成誤差；

(4)兩波長下分時測量，兩次測量的溫度偏差對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

后續(xù)可對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，并進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，對裝置進(jìn)一步優(yōu)化；并探索將裝置推向?qū)嵱玫目赡堋?/p>

6 結(jié)束語

在本文中對激光吸收輻射測溫法的測溫原理以及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。激光吸收輻射測溫技術(shù)的核心是利用兩束經(jīng)調(diào)制的不同波長的激光對被測目標(biāo)進(jìn)行激勵，在目標(biāo)表面產(chǎn)生一響應(yīng)——微小周期溫升，通過測量這一微小溫升進(jìn)而測得物體真實(shí)溫度。激光吸收輻射測溫法突破了不破壞溫場是輻射測溫優(yōu)勢的傳統(tǒng)思想，在保留輻射測溫優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，消除了發(fā)射率、環(huán)境輻射等因素的影響，在應(yīng)對復(fù)雜惡劣的工業(yè)環(huán)境方面具有十分廣闊的應(yīng)用前景。但在目前階段，受激光源的影響，該方法還不能用于低溫領(lǐng)域測量，但隨著廉價固體激光器的發(fā)展，這一技術(shù)將會有更廣闊的發(fā)展空間。