張文琦，房落鳳，田鵬飛，俞倫鵬，薛生虎

(1.中國計量學院，浙江杭州 310018,2.北京南奇星科技發(fā)展有限公司，北京 102600)

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紅外輻射測溫系統(tǒng)設計及SSE的影響研究

張文琦1，房落鳳1，田鵬飛1，俞倫鵬2，薛生虎1

(1.中國計量學院，浙江杭州 310018,2.北京南奇星科技發(fā)展有限公司，北京 102600)

SSE是影響輻射測溫的一個重要因素，為了研究輻射測溫光學系統(tǒng)在減小SSE影響上的作用，設計了工作波段為0.8～1.2 μm的近紅外輻射溫度計的實驗光學系統(tǒng)；該系統(tǒng)結構的組成元件少，主要包括紅外物鏡和分光鏡,因而便于實驗過程變量的控制。同時在滿足通光量的要求下，在光學系統(tǒng)的特殊位置，設計了3個不同尺寸的孔徑光闌，以研究不同位置不同孔徑下光學系統(tǒng)克服SSE影響的效果；通過實驗結果分析，得出孔徑光闌的位置和尺寸大小在克服SSE的影響時起著重要作用，在測試1 000 ℃時，將孔徑光闌設置在探測器附近，測試溫度的溫度偏差減小了3 ℃。

輻射測溫;光學系統(tǒng);孔徑光闌;背景輻射;輻射源尺寸效應

0 引言

在國防、軍事、科學實驗及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,溫度的測量和控制具有十分重要的作用;而在溫度測量領域,主要包括兩大類:接觸測溫與非接觸測溫;根據(jù)兩種測溫法的測溫原理,非接觸測溫在許多方面都要優(yōu)于接觸測溫,例如:測溫范圍廣、不影響溫場、可測量超高溫物體等[1-2],特別是近二十年來,由于電子技術的飛速發(fā)展、半導體材料研究的進步及計算機技術的發(fā)展,輻射測溫技術得到長足的進步和發(fā)展[3]。

然而輻射測溫仍然面臨著許多因素影響,SSE就是其中重要的一個,即用同一臺輻射溫度計去測量同一溫度下的物體,當物體輻射源的尺寸改變時,輻射溫度計的輸出結果會不一樣,這種效應稱為輻射源尺寸效應(Size-of-Source Effect,簡稱SSE)[4]。它是輻射測溫不確定度的一個重要來源,如水平較好的660 nm標準高溫計在測量直徑50 mm的黑體輻射源時,SSE會達到(1～2)×10-3[5],相當于測量1 000 ℃時誤差為1～2 ℃,而一般工業(yè)用的輻射溫度計則更大,溫度誤差甚至能達到幾℃。SSE是輻射溫度計光學元件和光學系統(tǒng)中灰塵引起的散射、透鏡表面間的相互反射、光學系統(tǒng)的像差及衍射、周圍環(huán)境中的雜散光等效應的綜合結果[6],SSE是影響輻射測溫法溫標復現(xiàn)、傳遞、比對和測溫的主要不確定度因素之一。

SSE的產(chǎn)生因素主要來自光學系統(tǒng)內部，許多專家學者為了消除SSE的影響，對光學系統(tǒng)進行了研究工作。德國物理技術研究院(PTB)研制的無透鏡結構中低溫輻射溫度計,該結構主要以遮光光闌和限制光闌為主,在同有透鏡的光學系統(tǒng)進行實驗比對后,得出該無透鏡結構裝置在消除SSE的影響上表現(xiàn)出更好的性能[7-8]。美國標準技術研究院的H.W.Yoon對輻射測溫的光學系統(tǒng)進行了研究,實驗結果指出合適的Lyot光闌位置和尺寸可以減小SSE的影響[9]。

中國計量科學研究院的盧小豐、原遵東也研究了孔徑光闌對輻射源尺寸效應的影響,提出孔徑光闌在消除SSE時起到重要作用,并指出若將孔徑光闌放在會聚透鏡之后,其SSE值要小于其他位置[5]。另外,Robert[10]在抑制雜散輻射的問題和技術一文中也指出孔徑光闌在系統(tǒng)中越是靠近探測器,對系統(tǒng)雜散光的抑制越是有利。趙泉欽[11]等將不同孔徑的光闌置于黑體空腔腔口構成黑體輻射源的不同尺寸，在較低溫度(10～200 ℃)條件下對紅外溫度計的SSE進行測量和實驗。

不同的光學系統(tǒng)結構(特別是孔徑光闌)在克服SSE的作用上也會存在很大差異。本文設計了一個用于研究SSE影響的結構簡單的紅外測溫光學系統(tǒng)。通過物鏡前加載遮光罩以及探測器前設置不同孔徑的光闌,以期減小SSE的影響,滿足輻射測溫的精度要求。

1 紅外輻射測溫光學系統(tǒng)設計

1.1 光學系統(tǒng)結構

為了研究和驗證光學系統(tǒng)的元件在克服SSE時表現(xiàn)出的不同作用,光學系統(tǒng)結構需要滿足以下幾點:首先,結構簡單,組成元件要盡可能少;其次,便于機械固定結構的設計;最后,要滿足人為控制變量的方便性。按照以上要求設計的光學系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 光學系統(tǒng)原理圖

光學系統(tǒng)原理:目標源輻射的能量經(jīng)過物鏡的會聚作用進入系統(tǒng)內部;設置在物鏡之后的孔徑光闌(或者物鏡鏡框)限制進入系統(tǒng)內部的光束孔徑的大小,即控制測溫和目視光路的輻射立體角,限制著進入系統(tǒng)內部的輻射能量的多少;通過物鏡進入系統(tǒng)內部的光路被分光鏡分為2部分,被反射的部分為測溫光路,在其像方焦平面處放置探測器,完成測溫的任務;透過的部分為目視光路,在其像方焦平面處放置分劃板和目鏡,觀察目標源的聚焦情況。

本文通過添加孔徑光闌、遮光罩抑制雜散光;根據(jù)光學系統(tǒng)原理圖、幾何光學理論分析得出:進入光學系統(tǒng)內部的雜散光主要包括外部雜散光和內部雜散光,外部雜散光可以通過在物鏡之前加一個消雜光光闌進行削弱;而對于系統(tǒng)內部因光學元件表面之間的散射造成的雜散光,需要通過內部孔徑光闌進行抑制,如圖1所示,孔徑光闌放在位置1時,阻擋內部雜散光的作用要遠遠小于位置2,所以可以將孔徑光闌設置在位置2(即靠近探測器)來驗證消除雜散光的作用。

通過以上分析,該光學系統(tǒng)在滿足輻射測溫光學原理的條件下,光學元件少,結構簡單,通過合理的機械結構設計可以滿足光學元件安裝和調節(jié)的方便性,并增加人為控制變量的主導作用。

1.2 光學系統(tǒng)結構參數(shù)

根據(jù)實驗要求制定光學系統(tǒng)參數(shù),本文設計的光學系統(tǒng)在田鵬飛[12]等的論文中已有詳細計算,這里僅列出計算結果,光學系統(tǒng)元件的計算數(shù)據(jù)如表1所示,表中D1為物鏡通光孔徑、D2為分光鏡通光孔徑、D3為分劃板直徑、D4為目鏡通光孔徑、D5為出瞳直徑。探測器的型號、參數(shù)如表2所示。

表1 光學系統(tǒng)結構參數(shù)

表2 探測器型號參數(shù)

1.3 光學元件

該光學系統(tǒng)的組成元件主要包括:紅外物鏡、分光鏡等;其中作為系統(tǒng)最重要的組成元件紅外物鏡,選擇的是愛特蒙#45-806型近紅外鏡頭,該鏡頭通過鍍膜技術使得工作波段為0.8～1.2 μm，通過率在95%以上,對非近紅外波段的透過率則起到了有效衰減作用;另外該鏡頭的光學性能良好,校正后滿足系統(tǒng)對光學性能(消除色差、球差、正弦差)的要求、分光鏡選用愛特蒙型號為#47-609的產(chǎn)品,該分光鏡的優(yōu)點是不論入射光的角度為多少,其分光比保持固定不變(反射率70%),這樣在很大程度上減少了光路調節(jié)的復雜性。

2 實驗平臺和性能測試

2.1 實驗平臺

組建的實驗平臺示意圖如圖2所示,該平臺主要包括:標準黑體輻射源、紅外輻射測溫系統(tǒng)光學系統(tǒng)、數(shù)字萬用表。其中,標準黑體輻射源選用HZ-2型標準中溫黑體輻射源,工作溫度為300～1 200 ℃,溫度穩(wěn)定性≤0.3 ℃/10 min,腔口發(fā)射率≥0.995，滿足使用要求;數(shù)字萬用表選用K2000,在測量直流電流時,其分辨率達到10 nA～10 mA,滿足使用要求。

圖2 實驗裝置簡圖

2.2 性能測試

2.2.1 消雜散光性能測試

將標準黑體輻射源的溫度分別設置為500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃、900 ℃、1 000 ℃時,驗證在光學系統(tǒng)位置2(如圖1)處放置孔徑光闌和不放置孔徑光闌情況下,該系統(tǒng)裝置消除周圍環(huán)境雜散光的性能。實驗測得的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 測試數(shù)據(jù)

通過分析測試的數(shù)據(jù)得出,將設置在探測器位置近處的孔徑光闌拿掉,以物鏡鏡框作為孔徑光闌時,有無遮光罩對測量結果影響很大,即周圍環(huán)境雜散光對測量結果影響較大,500 ℃時,添加遮光罩可使輸出電流減小0.009 μA,溫度減小0.6 ℃;1 000 ℃時遮光罩可使輸出電流減小23 μA,溫度減小2.8 ℃而在探測器支架上安裝了1.5 mm的孔徑光闌后,有無遮光罩對測量結果影響很小,500 ℃時，有遮光罩可使輸出電流減小0.01 μA,溫度幾乎無變化;1 000 ℃時，有遮光罩時輸出電流為0.04 μA,溫度小值約為0.2 ℃。

2.2.2 不同孔徑光闌性能測試

為了研究孔徑光闌不同位置、不同孔徑情況下,該光學系統(tǒng)的性能,單獨設計了位于特殊位置2處的3個不同孔徑大小的孔徑光闌,其孔徑值分別為1 mm、1.5 mm、2 mm,并將黑體標準輻射源的溫度設置為400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃、900 ℃、1 000 ℃等7個溫度值進行了測試,其測試結果如表4～6所示。

表4 1 mm孔徑測試數(shù)據(jù)

表5 1.5 mm孔徑測試數(shù)據(jù)

表6 2 mm孔徑測試數(shù)據(jù)

根據(jù)測試的數(shù)據(jù)可以得出的結論包括:

(1)在探測器支架上有無孔徑光闌對測量結果影響很大,測試結果表明,裝有孔徑光闌的光學系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)受到周圍環(huán)境雜散光的影響要小很多;

(2)在滿足限制通光孔徑理論孔徑值的條件下,在消雜散光性能上,1 mm的孔徑光闌優(yōu)于1.5 mm的孔徑光闌,而1.5 mm孔徑光闌要優(yōu)于2 mm孔徑光闌;

(3)在400～700 ℃，添加孔徑光闌后,再添加遮光罩，輸出電流的僅能減小0.1～0.3 μA，溫度減小值在0.2 ℃之內，而當800 ～1 000 ℃時,特別是1.5 mm和2 mm孔徑的光闌測試的數(shù)據(jù)受雜散光影響要大的多,在孔徑光闌的作用下,添加遮光罩使輸出電流減小0.5 ～0.12 μA,溫度最大減小量達到3 ℃。同時結合探測器的感光面積,在滿足通光亮度的條件下,應該選用1 mm孔徑光闌。

3 結論

通過設計一個結構簡單實用的實驗光學系統(tǒng),來驗證遮光罩、不同孔徑的光闌在減少SSE影響上的不同作用。實驗結果表明,光學系統(tǒng)中孔徑光闌的位置和孔徑的大小都會對測試結果產(chǎn)生較大影響。在光學系統(tǒng)內部的特殊位置2處(即圖1中靠近探測器像面的位置),加孔徑光闌會在很大程度上減少雜散光的影響,在測試1 000 ℃時,有無該孔徑光闌,溫度的變化量會達到3 ℃;另外,在測試800～1 000 ℃時1 mm的孔徑光闌在抑制雜散光的性能上要好于1.5 mm和2 mm的孔徑光闌,即在滿足通光亮度和有效限制輻射立體角的條件下,選擇較小的孔徑光闌可以顯著減小SSE的影響。

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Design of Infrared Radiation Thermometry System and Research on Effects of SSE

ZHANG Wen-qi1,FANG Luo-feng1,TIAN Peng-fei1,YU Lun-peng2,XUE Sheng-hu1

(1.China Jiliang University,Hangzhou 310018,China,2.Beijing Nanqixing Sci-Tech Corp Ltd.,Beijing 102600,China)

SSE is a key factor affecting radiation temperature measurement.In order to study the role of an optical system in reducing the effects of SSE,an optical system of near infrared radiation thermometer operating at 0.8～1.2 μm wavelength band was designed.The componerts of the system were simple,mainly including the infrared objective lens and spectroscope,so that it was very convenient to control the experimental variables.To meet the requirements of light amount,three aperture diaphragms of different sizes were designed on the special position of the optical system to study the important effects of SSE.The experimental results show that the position and size of an aperture diaphragm play an important role in reducing the impact of SSE.At 1 000 ℃,when the aperture diaphragm was located near the detector,the temperature deviation will reduce 3 ℃.

radiation temperature measurement;optical system;aperture diaphragm;background radiation;SSE(Size of Source Effect)

2014-11-18 收修改稿日期：2014-11-28

TB942

A

1002-1841(2015)02-0071-03

張文琦(1988—),碩士研究生，研究方向為工業(yè)輻射測溫。 E-mail cjlzhangwq@163.com