郝曉劍，郭玉楠，楊彥偉

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原 030051；2.呂梁學(xué)院 物理系， 離石 033000)

引 言

溫度是一個重要的物理量,是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和航空、航天、核爆、化爆試驗中測量的重要參量。因此，對于瞬態(tài)高溫溫度場的準確測量，對工農(nóng)業(yè)以及國防軍事的發(fā)展具有重要的意義，目前溫度的測量方法主要分為接觸式測溫法和非接觸式測溫法[1]。在接觸式測溫中主要使用傳感器與被測介質(zhì)直接接觸，進行熱交換來獲取溫度，比較有代表性的是基于熱電偶的高溫測量技術(shù)[2-3]，但熱電偶會對溫度場造成干擾,高溫環(huán)境也會縮短熱電偶的使用壽命。為了彌補接觸式測溫方法的不足，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了多種非接觸測溫技術(shù)如比色測溫法[4-5]、光譜測溫法來實現(xiàn)瞬態(tài)高溫的測試，原子發(fā)射光譜雙譜線測溫法采用了兩條間隔比較小的光譜線[6-8]，避免了比色測溫法中忽略光譜發(fā)射率和透射率帶來的誤差[9]。更能適用于高溫、高壓等惡劣環(huán)境的溫度測量。

在原子發(fā)射光譜雙譜線測溫公式中,存在兩個未知特定常數(shù)A,B，它們和測溫系統(tǒng)的光學(xué)傳遞系數(shù)、所選原子的特性及譜線波長等因素有關(guān)。因此確定測溫特定常數(shù)A,B的值，可以提高測溫的精度，對原子發(fā)射雙譜線測溫法的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

1 原 理

根據(jù)原子發(fā)射光譜相關(guān)理論，在熱力學(xué)平衡或局部熱力學(xué)平衡條件下[10-11]，由玻爾茲曼分布及愛因斯坦輻射理論[12]，可得同一種元素兩條原子譜線的強度之比為：

(1)

式中，Iλ1和Iλ2為所選波長λ1和λ2光信號的譜線強度；A1和A2為原子譜線的躍遷幾率；g1和g2分別為譜線激發(fā)態(tài)的統(tǒng)計權(quán)重；E1和E2為原子發(fā)射譜線的激發(fā)電位；K為玻爾茲曼常數(shù)[13]；T為激發(fā)溫度?？紤]到測溫系統(tǒng)的光學(xué)傳遞系數(shù)，將(Iλ1/Iλ2)乘上一個系數(shù)加以校正并對公式兩邊求對數(shù)得到：

(2)

式中，A1,A2,g1,g2,E1,E2均為與受激發(fā)原子及譜線波長λ有關(guān)的常數(shù)。故令：

(3)

從(3)式可以得到原子發(fā)射雙譜線測溫的基本公式為：

T=B/[ln(Iλ1/Iλ2)-A]

(4)

式中,A和B的值跟原子的特性、波長以及測溫系統(tǒng)的光學(xué)傳遞系數(shù)有關(guān),可以利用標準溫度對測溫特定常數(shù)值進行確定。

2 測溫特定常數(shù)A、B靜態(tài)標定實驗

2.1 實驗系統(tǒng)介紹

光電測溫器特定常數(shù)靜態(tài)標定實驗系統(tǒng)如圖1所示。本次實驗中選用形狀規(guī)則的紫銅片作為光譜激發(fā)樣品。采用LS-3000高溫黑體爐作為激發(fā)光譜的熱源，該黑體爐最大可調(diào)節(jié)溫度為3000℃。光電測溫器由光學(xué)模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)采集存儲模塊構(gòu)成。

Fig.1 Schematic diagram of static calibration experiment of photoelectric temperature measurement system

光學(xué)模塊由藍寶石探頭[14]、Y型光纖以及濾光片組成。藍寶石探頭是用來對光纖的端面進行保護，減少光污染，提高了光纖的傳光效率，Y型光纖將藍寶石探頭采集的光譜信號均分兩路，濾光片過濾得到所選特定波長的溫標譜線。

光電轉(zhuǎn)換模塊使用愛爾蘭Sensel公司的10035-X08型硅光電倍增管(silicon photomultiplier，SiPM)。該光電倍增管是具有單光子創(chuàng)新型固態(tài)硅探測器，具有高增益、響應(yīng)速度快、工作電壓低和集成度高等特點。具體參量如表1所示。

Table 1 10035-X08 silicon photomultiplier tube parameters

數(shù)據(jù)采集存儲模塊采用ADI公司生產(chǎn)的AD9226高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可采集雙路電壓信號，最高采樣頻率達65MHz。采集的數(shù)據(jù)通過FPGA EP4CE6F17C8(256M DDR2-DRAM)芯片進行存儲。

2.2 測溫原子譜線選擇

在利用原子發(fā)射光譜雙譜線原理測溫時所選的光譜線要清晰、強度適宜、無自吸現(xiàn)象[15-16],譜線之間的激發(fā)能要特別大，而且兩條譜線波長要接近，這樣可以減小光譜輻射率和光譜透射率等對光譜測量的影響。

利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)對紫銅片進行光譜激發(fā)實驗[17]。在300nm～800nm波長范圍內(nèi)Cu原子譜線分布圖如圖2所示。本次實驗中選用Cu Ⅰ 510.5nm和Cu Ⅰ 521.8nm作為測溫時的溫標譜線，在30mJ激光能量條件下，電子溫度Te=0.5eV,電子密度Ne=

Fig.2 Atomic spectral distribution of Cu atoms at 300nm～800nm and CuⅠ 510.5nm and CuⅠ 521.8nm spectra

1×1010cm-3[18-19]。溫標譜線光譜圖如圖2標記放大部分所示。光譜線參量如表2所示。

Table 2 CuⅠ 510.5nm and CuⅠ 521.8nm parameter values

2.3 實驗及結(jié)果分析

高溫黑體爐利用高溫黑體輻射使Cu樣品熱激發(fā)產(chǎn)生光譜[20],光譜經(jīng)Y型光纖輸出后經(jīng)濾光片進入硅光電倍增管轉(zhuǎn)換為雙通道電壓信號，電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集存儲模塊完成處理，最后在PC機上讀出電壓值。由硅光電倍增管轉(zhuǎn)換得到的電壓的比值為Cu Ⅰ 510.5nm和Cu Ⅰ 521.8nm的光譜強度的比值，因此有：

U1/U2=Iλ1/Iλ2

(5)

實驗過程中高溫黑體爐顯示爐內(nèi)標準溫度，在700℃～2500℃溫度范圍內(nèi),選取多個溫度并進行多次測量所測得的雙通道最大電壓之比如圖3所示。

Fig.3 Results of the ratio of the maximum voltage of the two channels in the range of 700℃～2500℃

選擇黑體爐爐內(nèi)兩個溫度值分別為Tl,Tl′，并記錄此時雙通道數(shù)據(jù)采集存儲模塊最大電壓之比分別為I1,2,I1,2′。由(4)式、(5)式可得A,B的計算公式:

3 紫銅薄片燃燒溫度場測試實驗

3.1 Cu高溫燃燒溫度場構(gòu)建

銅燃燒溫度場測試實驗如圖4所示。利用氫氧焰機可控雙管路噴射火焰作為熱源。以美國IRCON公司的Modline5型智能一體化紅外紅外測溫儀(簡稱M5)作為標準測溫儀器，其測溫范圍為600℃～1400℃。光電測溫器采用特定常數(shù)標定后的原子發(fā)射雙譜線測溫器。銅具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性，因此實驗中采用紫銅片作為被加熱對象，將紫銅片加工成30mm×30mm×1mm的薄片，可以保證紫銅片受熱均勻。

Fig.4 Cu combustion temperature field test experiment

實驗中利用雙管路氫氧焰噴射技術(shù)構(gòu)建了溫度范圍、流體屬性相對穩(wěn)定的Cu燃燒溫度場，通過噴射高溫火焰對紫銅片進行燒灼，形成一個滿足實驗需求尺寸的高溫區(qū)域，通過在噴出的燃氣中攙雜一定的元素與物質(zhì)，實現(xiàn)實際燃燒場多物理特性的模擬。結(jié)合多物理場控制原理引入反饋，實現(xiàn)根據(jù)人工設(shè)定的多物理場參量對2組噴嘴狀態(tài)進行自動控制，從而實現(xiàn)Cu高溫燃燒場環(huán)境的自動調(diào)控。

3.2 實驗及結(jié)果分析

首先將紫銅片固定于特定的位置，放置于氫氧焰機雙管路噴射火焰處行加熱，然后利用光電測溫器測量被加熱銅片的溫度，測溫過程中待光電測溫器溫度顯示在接近600℃的同時，M5紅外測溫儀對準銅片進行溫度的測量。

實驗過程中，銅片被氫氧焰加熱而升溫，并逐漸呈現(xiàn)亮紅色，繼續(xù)加熱銅片燃燒并發(fā)出淺綠色火焰，最后生成黑色粉末狀固體。光電測溫器測得最高溫度為1297℃，M5紅外測溫儀測得的最高溫度為1315℃。測試結(jié)果如圖5所示。

Fig.5 Temperature measurement results of photoelectric temperature measurement system and M5 infrared camera

設(shè)標準M5紅外測溫儀測得的溫度為標準溫度Tb,設(shè)光電測溫器測得的溫度為測量溫度Tc。實驗結(jié)果如表4所示。

Table 4 Temperatures measured by photoelectric thermometers and M-type infrared thermometers and their relative errors

由實驗結(jié)果可得,光電測溫器測得的溫度與M5型紅外測溫儀測得的溫度平均相對誤差為1.3%。

4 結(jié) 論

針對原子發(fā)射雙譜線瞬態(tài)高溫測溫的問題。對原子發(fā)射雙譜線測溫系統(tǒng)進行了靜態(tài)標定實驗。得出特定常數(shù)A,B的值，并對標定后的測溫系統(tǒng)進行銅燃燒溫度場驗證實驗。實驗結(jié)果表明：測溫特定常數(shù)A,B靜態(tài)標定實驗對于原子發(fā)射雙譜線測溫法準確測量瞬態(tài)高溫具有重要的意義。