曲 巖， 宦克為， 安保林， 董 偉，趙云龍， 宋旭堯， 原遵東

(1.長春理工大學，吉林長春130022； 2.中國計量科學研究院，北京100029)

1 引 言

輻射測溫具有測溫范圍廣、響應速度快、不侵入和破壞被測目標溫場、理論上不存在測溫上限等優(yōu)點[1]，近年來在我國發(fā)展十分迅速，已被廣泛應用于航天、冶金和醫(yī)療等行業(yè)[2～9]。

輻射測溫領域的一大難題是目標“真實溫度”的獲取。傳統(tǒng)的輻射測溫方法受限于目標發(fā)射率的影響，通常只能獲得目標的亮度溫度，無法直接測量目標的“真實溫度”，尤其在發(fā)射率較低的情況下，二者之間差異巨大[10]。實際應用中，為克服目標發(fā)射率未知對輻射測溫方法精度的限制，雙波段比色測溫方法[11]被廣泛應用，一般通過分光結構獲取目標在2個測量波段的能量，結合比值技術實現(xiàn)目標真實溫度測量。盡管國內(nèi)外對雙波段比色測溫技術進行不斷地優(yōu)化[12，13]，如采用非調(diào)制的激光通過近似相近波段下發(fā)射率相等來消除發(fā)射率等[10]，但在理論模型上都存在近似假設而無法完全消除發(fā)射率的影響。

近年來，一種新型主動式雙波長紅外激光測溫方法逐漸受到關注[14～16]，該方法通過可調(diào)制激光光源和反序光電探測結構相配合，可在待測目標表面發(fā)射率未知的條件下進行溫度測量。然而，目前針對主動式雙波長紅外激光測溫方法的研究積累較少，存在一些問題亟待解決[17]。如采用同源標定，導致測溫系統(tǒng)適用范圍狹窄；標定結果往往需要計算修正，修正量也會存在一定誤差；缺乏穩(wěn)定高精度的獨立標定源，在外場環(huán)境下應用受限等。

因此，本文基于主動式雙波長紅外激光測溫方法的原理，設計了一種可獲取表面真實溫度的高精度標定源，實驗分析了標定源的穩(wěn)定性和均勻性。應用所搭建的標定源對主動式雙波長紅外激光測溫系統(tǒng)進行標定實驗，得到了相應的標定結果。此外，對系統(tǒng)的可靠性進行了分析驗證。

2 原 理

2.1 黑體輻射理論

根據(jù)普朗克輻射定律，輻射源的輻射能力可以通過該輻射源在一定波長λ和溫度T下的輻射亮度L0(λ，T)來表征[18]，表示為：

(1)

式中：c1=3.741 8×10-16W·m2為第一輻射常數(shù)；c2=1.438 8×10-2m·K為第二輻射常數(shù)；λ為波長；T為黑體輻射源熱力學溫度。

2.2 主動式雙波長紅外激光測溫原理

主動式雙波長紅外激光測溫的基本原理是雙波長激光-材料相互作用下的光熱效應理論，采用反序波長探測和相敏檢測技術實現(xiàn)對未知發(fā)射率高溫物體的表面真實溫度進行測量。

首先，使用波長λ1的激光投射到待測高溫材料表面使其產(chǎn)生溫升ΔT，使用波長λ2的探測器來測量溫升ΔT，獲得的光電流Ip(λ2)可表示為：

IP(λ2)=R2·ε1·ε2·Ω2·Δλ2·τ1·τ2·

(2)

式中：R2為探測器光譜響應度函數(shù)；ε1為材料在波長λ1的光譜發(fā)射率；ε2為材料在波長λ2的光譜發(fā)射率；Ω2為測量立體角；Δλ2為測量帶寬；τ1儀器系統(tǒng)在波長λ1的光譜透過率；τ2儀器系統(tǒng)在波長λ2的光譜透過率；P1為激光功率；G1(t)為與被測物體溫度響應有關的系數(shù)；L0(λ2，T)為溫度為T的黑體在波長λ2的光譜輻射亮度。

對于半無限大不透明物體，有

(3)

式中：K為導熱系數(shù)；D為熱擴散系數(shù)；ω為激光調(diào)制頻率。

同樣，使用波長為λ2的激光加熱被測材料，用波長λ1的探測器測量，得到響應的光電流Ip(λ1)為

IP(λ1)=R1·ε1·ε2·Ω1·Δλ1·τ1·τ2·

(4)

式中：R1為探測器光譜響應度函數(shù)；Ω1為測量立體角；Δλ1為測量帶寬；P2為激光功率；G2(t)為與被測物體溫度響應有關的系數(shù)；L0(λ1，T)為溫度為T的黑體在波長λ1的光譜輻射亮度。

將式(2)與式(4)做比，可以得到一個不含發(fā)射率項的等式：

(5)

式中：CALP為標定系數(shù)，由實驗系統(tǒng)中的儀器參數(shù)組成，可通過實驗室高精度標定源準確測定。

2.2 CALP參數(shù)標定原理

由雙波長紅外激光主動式測溫理論模型公式(5)，可以反推出標定系數(shù)CALP。需要指出的是Ip(λ1)/Ip(λ2)=S1/S2，S1/S2為2個測量通道測量獲得的信號的比值，可通過鎖相放大器測量得到的交流電壓結合低噪聲放大器增益設置，精確測定。結合標定源外推出的表面真實溫度，即可得到系統(tǒng)標定系數(shù)：

(6)

由式(6)不難看出，精確標定CALP參數(shù)的關鍵在于樣品表面真實溫度T的精確獲得。換言之，通過實驗設計已知表面真實溫度的標定源，即可實現(xiàn)參數(shù)的高精度標定。

3 實驗裝置

3.1 高精度表面溫度標定源

標定源中加熱樣品由化學氣相合成碳化硅陶瓷(CVC-SiC)制成，該材料是一種潛在的高溫發(fā)射率量值傳遞標準材料，具備耐高溫、不易氧化、輻射特性較為穩(wěn)定等特點。標定樣品內(nèi)置一等熱電偶，溯源至我國基礎測溫基準。高精度數(shù)字表與熱電偶連接，可求出熱電偶與樣品接觸點的溫度，從而外推出標定樣品表面真實溫度。

樣品內(nèi)部熱電偶布置方案如圖1，將2只一等標準熱電偶分別插入標定源所用樣品事先預置的兩個具有深度差的孔中。由于樣品是由同一種材料均勻制成，導熱系數(shù)隨溫度變化，根據(jù)文獻[19], SiC材料導熱系數(shù)隨溫度變化關系為

K=0.396-1.633×10-4T

(7)

實際測量中熱電偶1和熱電偶2溫度差值約為2 K，通過計算，在本實驗溫度變化范圍內(nèi)導熱系數(shù)相對變化量為0.1%，因此可近似認為樣品溫度呈線性分布。

圖1 樣品內(nèi)部熱電偶布置方案Fig.1 Layout plan of sample internal thermocouple

熱電偶1測得的溫度值為T1，熱電偶2測得的溫度值為T2，熱電偶1和熱電偶2深度差為b，熱電偶2距離標定樣品表面的距離為a。

溫度外推計算方法如式(8)，求得標定源表面真實溫度T：

(8)

將所得表面真實溫度代入已推導出的理論模型，完成標定。

3.2 輻射溫度計

本文所用的傳遞級標準輻射溫度計為TRT IV.82型輻射溫度計，測量波長為3.9 μm，這個波段是國家計量領域標定實驗常用的中紅外波段。用NIM的傳遞級標準輻射溫度計作為標準器，設置輻射溫度計內(nèi)的發(fā)射率參數(shù)為1后測量的結果為物體的亮度溫度。使用傳遞級標準輻射溫度計對標定樣品進行表面輻射溫度測量，驗證樣品表面輻射溫度穩(wěn)定性及均勻性。

3.3 雙波長紅外激光主動式測溫系統(tǒng)

基于雙波長激光-材料相互作用下的光熱效應理論，采用反序波長探測和相敏檢測技術，設計并搭建一套基于光熱效應的雙波長紅外激光主動式測溫系統(tǒng)，如圖2所示。本文所搭建的雙波長紅外激光主動式測溫系統(tǒng)主要由紅外激光光源子系統(tǒng)、成像與瞄準子系統(tǒng)和光電探測子系統(tǒng)構成。其中，紅外激光光源子系統(tǒng)由激光器和函數(shù)發(fā)生器構成；成像與瞄準子系統(tǒng)由光學鏡頭和光纖構成；光電探測子系統(tǒng)主要由2個與激光波長對應的窄帶濾光片輻射計、可調(diào)增益放大器和鎖相放大器構成。

圖2 主動式雙波長紅外激光測溫系統(tǒng)Fig.2 Active dual-wavelength infrared laser thermometry system

基于相敏檢測技術，可精準獲取待測目標面溫升導致的交流信號。調(diào)制激光器，使其產(chǎn)生一定頻率的激光并投射至目標面，目標面出現(xiàn)相應的溫升，該溫升信號經(jīng)系統(tǒng)光路投射至光電探測系統(tǒng)，在光熱效應的作用下，探測器產(chǎn)生同頻率的交流信號，探測器將該信號輸出至鎖相放大器，鎖相放大器根據(jù)函數(shù)發(fā)生器的調(diào)制參考信號進行相敏檢波處理，準確獲得來自目標面的交流信號，該信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并進行處理。

4 實驗結果

4.1 標定源穩(wěn)定性驗證

本文標定源在20 min內(nèi)的真實溫度和亮度溫度變化測量結果如圖3所示。其中，定標源中心的真實溫度由熱電偶測量值外推獲得；定標源中心亮度溫度由輻射溫度計測量得到。采樣時間間隔為1 s。

圖3 溫度穩(wěn)定性實驗結果Fig.3 Temperature stability test results

由圖3可知：標定源的真實溫度與標準輻射溫度計所測亮度溫度變化趨勢一致，證明外推表面真實溫度的可靠性良好；表面真實溫度20 min內(nèi)最大偏差為0.22 K，標準偏差為0.04 K，相對標準偏差0.01%，證明所采用標定源穩(wěn)定性良好，適合用于高精度標定。

4.2 標定源均勻性驗證實驗

本文使用接觸法和輻射法2種方案進行標定源均勻性驗證。

接觸法的均勻性測量結果如圖4所示。其中，兩端熱電偶溫度偏差指的是樣品兩側等深度的熱電偶1與熱電偶3所測溫度之差，采樣間隔為1 s。由圖4可知，標定源在1 173 K時兩端熱電偶溫度偏差絕對值小于0.81 K。

輻射法的測量方案如圖5所示，將標準輻射溫度計置于二維精密步進電機上，在標定樣品的水平(X)方向和豎直(Y)方向上進行循環(huán)掃描測量，相鄰掃描點間隔為2 mm，重復3次。

輻射法的均勻性測量結果分別如圖6和圖7所示。其中，圖6展示的是標準輻射溫度計3測量各點溫度相對于中心平均溫度T0的差值；圖7展示的是對應的相對偏差δ，δ計算式為[20]：

(9)

圖4 兩端熱電偶溫度偏差Fig.4 Temperature deviation between two thermocouples

圖5 均勻性掃描方案Fig.5 Uniformity scanning scheme

圖6 X和Y方向各點絕對偏差Fig.6 Absolute deviation of dots in the X and Y directions

圖7 X和Y方向各點相對偏差Fig.7 Relative deviation of dots in the X and Y directions

經(jīng)實驗測量，標定源表面各點溫度的標準偏差為0.34 K，相對標準偏差為0.03%。其中，X方向上各點的標準偏差為0.35 K，相對標準偏差為0.03%；Y方向上各點的標準偏差為0.42 K，相對標準偏差為0.04%。該結果表明：標定源表面溫度均勻性良好，能夠滿足雙波長紅外激光測溫系統(tǒng)標定要求。

4.3 采集信號的穩(wěn)定性

將所搭建標定源應用于雙波長紅外激光主動式測溫系統(tǒng)，檢驗采集信號的穩(wěn)定性，從而進一步評估所選標定源的可靠性。兩路測量通道在不同目標溫度下鎖相放大器所采集到的信號如圖8所示，每個溫度點采集60組數(shù)據(jù)，時間間隔為1 s。

圖8 兩路通道在不同溫度下的測量信號Fig.8 Measurement signals from two channels at different temperatures

需要說明的是，圖8中1 123 K、1 173 K信號值相對較低是因為該溫度下系統(tǒng)所用放大器過載，因此將放大倍率由108調(diào)整到107，導致采集信號偏低，但因為是兩路通道同時調(diào)節(jié)，所以并不影響最終溫度的計算。

兩路測量信號的相對標準偏差如圖9所示?？梢钥闯?，通道1在923 K及以上鎖相采集信號的相對標準偏差<0.7%，且隨著溫度的升高，相對標準偏差呈下降趨勢；通道2在873 K及以上鎖相采集信號的相對標準偏差<0.4%，整體趨勢較為穩(wěn)定。

圖9 兩路測量信號的相對標準偏差Fig.9 Relative standard deviation of two measurement signals

由圖9可知，應用標定源后，通道1的偏差對于整個采集系統(tǒng)貢獻在溫度較低時更為明顯，隨著測量溫度的升高，通道1信號相對標準偏差更小，穩(wěn)定性更優(yōu)，因此整個系統(tǒng)隨測量溫度上升穩(wěn)定性更好，從而再次證明了標定源性能良好。

4.4 標定源可靠性驗證

依據(jù)紅外激光主動式測溫系統(tǒng)標定原理，開展了紅外激光主動測溫標定實驗，并對標定源的可靠性進行了驗證分析。由標定公式(6)可知，標定源在不同溫度下，兩個波長濾光片輻射計測量信號經(jīng)鎖相放大器相敏檢波處理后的信號比值(S1/S2)與光譜輻射亮度一階導數(shù)比值(L′(λ1)/L′(λ2))呈線性的函數(shù)關系。通過對實驗結果計算發(fā)現(xiàn)，如果應用單溫度點標定方法，各溫度點標定系數(shù)相對偏差最大達到9.99%，這將使得溫度測量產(chǎn)生顯著的誤差，在1 173 K時，偏差甚至會達到20 K以上。因此，本文采用了擬合曲線斜率的標定方法。

確定了標定方法后，選擇合適的標定源樣品材料十分關鍵。因此，本文對可能適用于標定的4種不同材料樣品進行了測試。由圖10可知，材料1(即SiC)的R2最大，擬合度最佳，其它3種材料的測試結果在各溫度點下無規(guī)律地分布在材料1擬合曲線的兩側。證明了材料1不但相較于其它材料的樣品具備更好穩(wěn)定性，而且具備一定的普適性。因此使用該種材料制作標定源對雙波長紅外激光主動式測溫系統(tǒng)進行標定。

圖10 不同材料擬合結果Fig.10 Fitting results of different materials

本文在確定了標定源的應用材料后，對其在873～1 173 K溫區(qū)范圍內(nèi)進行了3次重復標定試驗，結果如圖11，經(jīng)計算標定系數(shù)為0.774 8。

圖11 重復標定實驗Fig.11 Repeated calibration experiment

經(jīng)計算,3次標定實驗標定系數(shù)相對標準偏差為0.28%，對標定源應用擬合曲線斜率標定方法重復性良好，因此可將標定源進一步應用到后續(xù)的主動式雙波長紅外激光測溫實驗。

5 結 論

本文基于雙波長紅外激光主動式測溫原理，搭建了主動式雙波長紅外激光測溫標定源，開展了標定實驗研究。結果表明：

1) 穩(wěn)定性方面，標定源表面真實溫度在20 min內(nèi)標準偏差為0.04 K，相對標準偏差為0.01%；均勻性方面，標定源表面各點溫度的標準偏差為0.34 K，相對標準偏差為0.03%。證明本文所建立的標定源溫度穩(wěn)定性、均勻性良好。

2) 信號采集方面，鎖相放大器數(shù)據(jù)采集結果在923 K及以上的相對標準偏差<0.7%，且隨著溫度的升高穩(wěn)定性更優(yōu)。

3) 通過線性擬合，發(fā)現(xiàn)輸出信號比值與光譜輻射亮度一階導數(shù)的比值具有良好的線性關系；標定源3次重復試驗標定系數(shù)相對標準偏差為0.28%，標定系數(shù)重復性良好。

綜上所述，所搭建主動式雙波長紅外激光測溫標定源性能良好，可應用于未來的主動式雙波長紅外激光測溫實驗。