劉海瀾 張玉存 付獻(xiàn)斌

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

紅外測(cè)溫技術(shù)具有使用方便、快速、準(zhǔn)確、非接觸、無(wú)損測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，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(cè)溫的雙波長(zhǎng)紅外測(cè)溫儀受被測(cè)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(duì)測(cè)溫精度的影響，抗干擾性強(qiáng)[2，3]。張忠恒提出的雙波長(zhǎng)測(cè)溫方法在數(shù)學(xué)推導(dǎo)基礎(chǔ)上找出了避開(kāi)“輻射率修正困難”的方法，彌補(bǔ)了紅外測(cè)溫儀準(zhǔn)確度不高的缺陷，可以精確測(cè)出被測(cè)對(duì)象溫度[3]。孫志遠(yuǎn)等提出測(cè)溫前先使用標(biāo)準(zhǔn)黑體對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，得到標(biāo)定曲線R(T)-T。在測(cè)量目標(biāo)的溫度時(shí)，在目標(biāo)附近放置一個(gè)超大面元黑體來(lái)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(cè)溫系統(tǒng)的精度[5]。趙玉剛等提出了通過(guò)改進(jìn)比色測(cè)溫的算法來(lái)減小測(cè)溫誤差[6]。施德恒設(shè)計(jì)的雙波長(zhǎng)高精度光纖測(cè)溫儀通過(guò)分析儀器相對(duì)溫度的分辨率和靈敏度對(duì)儀器工作波長(zhǎng)與波長(zhǎng)帶寬進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高測(cè)溫精度[7]。還有應(yīng)用于高溫測(cè)量的多波長(zhǎng)高溫計(jì)，它是利用目標(biāo)的多光譜輻射測(cè)量信息，經(jīng)過(guò)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(cè)溫方法有些理論上確實(shí)能提高測(cè)溫精度但缺乏實(shí)踐，在一些特殊大型測(cè)溫環(huán)境放置超大面元黑體是不實(shí)際的，而且由于被測(cè)對(duì)象本身狀態(tài)的變化和周?chē)鷱?fù)雜環(huán)境的干擾都直接影響雙色信號(hào)的比值而產(chǎn)生溫度誤差。有些方法雖然能提高測(cè)溫精度，但測(cè)溫儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)給計(jì)算和分析處理也增加了難度，實(shí)用性差。

本文基于紅外雙譜色測(cè)溫原理提出了一種高精度的紅外測(cè)溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙通道結(jié)構(gòu)通過(guò)寬帶濾光片和三級(jí)干涉濾光器結(jié)合對(duì)接受的紅外光譜進(jìn)行濾波，得到兩個(gè)單譜色光。該結(jié)構(gòu)能夠充分的抑制鍛件周?chē)尘肮夂铜h(huán)境光源輻射，提高信噪比，減小測(cè)溫誤差，更精確的得到鍛件溫度。

1 紅外測(cè)溫系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)模塊：光學(xué)模塊、測(cè)溫模塊、信息處理模塊、顯示模塊。該紅外測(cè)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(guò)散光鏡將光束變成平行光。經(jīng)寬帶濾光片可透過(guò)包括預(yù)測(cè)波長(zhǎng)的寬帶光。寬帶光到達(dá)分光片一部分透過(guò)分光片進(jìn)入三級(jí)干涉濾光器a，得到中心波長(zhǎng)為λ1的窄帶光，再經(jīng)過(guò)牛頓雙反射鏡和場(chǎng)鏡將透射光收集到紅外探測(cè)器1；另一部分寬帶光由分光片反射經(jīng)三級(jí)干涉濾光器b，得到中心波長(zhǎng)為λ2的窄帶光，最后收集到紅外探測(cè)器2。然后將兩個(gè)紅外探測(cè)器探測(cè)到的不同波長(zhǎng)的單譜色光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，分別接到信號(hào)處理系統(tǒng)的第1通道和第2通道，第1通道的信號(hào)通過(guò)前置放大和主放電路將信號(hào)放大后接入數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)輸入口，同樣第2通道的信號(hào)通過(guò)前置放大和主放電路將信號(hào)放大后接入數(shù)據(jù)采集卡的另一個(gè)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(hào)通過(guò)PCI總線連接計(jì)算機(jī)，利用VB軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，最終計(jì)算出鍛件溫度。

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

2 系統(tǒng)測(cè)溫原理

單級(jí)干涉濾光片如圖2所示，由兩個(gè)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(gè)具有高反射率表面的空氣層平行平板，空氣層間隙為h。對(duì)輻射的紅外光譜具有干涉濾光的作用，可透過(guò)特定波長(zhǎng)的光譜。三級(jí)干涉濾光器如圖3所示，它由三個(gè)不同空氣間隙的單級(jí)干涉濾光片組成。三個(gè)單級(jí)濾光片固定封裝殼內(nèi)，通過(guò)設(shè)定三個(gè)單級(jí)干涉濾光片的間隙，三個(gè)單級(jí)干涉濾光片有不同的透射光譜，相互疊加后最終透過(guò)一單譜色光，同時(shí)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?chē)尘肮夂铜h(huán)境光源的干擾，并保證了特定單色光的通過(guò)。

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

圖3 三級(jí)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(qiáng)度為：

即

其中，φ=4πnhcos60°λ。

則單級(jí)干涉濾光片的透過(guò)率為：

如果要求干涉濾光片的中心波長(zhǎng)為λ0，即要使波長(zhǎng)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(jí)次。三級(jí)干涉濾光器由三個(gè)不同間隙的單級(jí)干涉濾光片組成，即三級(jí)干涉濾光器濾光作用是三個(gè)單級(jí)干涉濾光片疊加后的作用效果。那么三級(jí)干涉濾光器要同時(shí)滿足三個(gè)單級(jí)干涉濾光片透過(guò)率公式，可透射三個(gè)單級(jí)濾光片相互疊加后的光譜，其他光譜將被濾掉。

要測(cè)量高溫鍛件的溫度，測(cè)溫系統(tǒng)要求兩個(gè)通道分別透過(guò)波長(zhǎng)為λ1和λ2的單色光，利用雙譜色測(cè)溫原理求出溫度。所測(cè)高溫鍛件溫度為700～1 500℃，所以選取近紅外波譜范圍的兩個(gè)波長(zhǎng)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(cè)溫系統(tǒng)接受到鍛件輻射的紅外波譜經(jīng)兩個(gè)通道的濾光系統(tǒng)，濾出兩個(gè)特定波長(zhǎng)的單譜色光，分別由兩個(gè)紅外探測(cè)器接受并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，得到兩單譜色光的輻射功率比 ，將其代入測(cè)溫公式

即可得到鍛件溫度。又因?yàn)閮刹ㄩL(zhǎng)非常接近，可認(rèn)為ελ1≈ελ，三級(jí)干涉濾光器透過(guò)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(cè)溫公式可簡(jiǎn)化為：

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文開(kāi)發(fā)的測(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)用性和精度值，對(duì)30CrMn2Mo鋼小鍛件進(jìn)行了測(cè)溫實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)儀器：紅外探測(cè)系統(tǒng)，測(cè)溫范圍是500～1 550℃；光電測(cè)溫儀，測(cè)溫范圍是700～1 800℃，精度為0.01%；計(jì)算機(jī)。

紅外測(cè)溫系統(tǒng)為本文開(kāi)發(fā)的基于三級(jí)干涉濾光器的大型鍛件紅外測(cè)溫系統(tǒng)。該紅外測(cè)溫系統(tǒng)兩個(gè)通道的濾光系統(tǒng)為寬帶濾光片和三級(jí)干涉濾光器組成，透射波長(zhǎng)分別為2.125 μm和2.155 μm。紅外探測(cè)器采用DPbs3200紅外探測(cè)器，可探測(cè)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(zhǎng)≥2.1 μm，時(shí)間常數(shù)≤400 μs，頻率響應(yīng)范圍100 Hz ～1 000 Hz。

將光電測(cè)溫儀的接觸探頭放在鍛件表面，紅外測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)鍛件并和計(jì)算機(jī)連接好，然后對(duì)從爐內(nèi)取出的鍛件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。從中隨機(jī)抽取了14組數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data

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

4 結(jié)論

本文提出的基于三級(jí)干涉濾波器的紅外測(cè)溫系統(tǒng)，利用寬帶濾光片和三級(jí)干涉濾波器結(jié)合濾光充分的抑制了鍛件周?chē)尘肮夂铜h(huán)境光源的干擾，可降低因鍛件周?chē)h(huán)境升溫引起的測(cè)溫誤差。同時(shí)雙通道系統(tǒng)透過(guò)近似于單色光的窄帶光譜，提高測(cè)溫系統(tǒng)的精度。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文開(kāi)發(fā)的紅外測(cè)溫系統(tǒng)精度達(dá)到0.2%，滿足了大型鍛件在線測(cè)溫精度要求。

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