任宏宇，葉 林，范博龍，肖 汀

(華中科技大學(xué)，湖北武漢 430074)

0 引言

溫度的測(cè)量分為接觸式測(cè)溫與非接觸式測(cè)溫。接觸式測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)為測(cè)得的溫度是物體的真實(shí)溫度，缺點(diǎn)是對(duì)被測(cè)物體的溫度場(chǎng)分布有影響[1]。非接觸式測(cè)溫具有測(cè)溫范圍寬、響應(yīng)速度快、不破壞被測(cè)對(duì)象溫度場(chǎng)等特點(diǎn)[2]，非接觸式測(cè)溫在高溫測(cè)量中應(yīng)用最為廣泛，主要應(yīng)用行業(yè)為冶金、鑄造、熱處理等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，在電力、建筑、森林防火等行業(yè)中也得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。非接觸式測(cè)溫已經(jīng)成為事故預(yù)防、產(chǎn)品質(zhì)量控制和經(jīng)濟(jì)效益提高的重要手段。

常見(jiàn)的非接觸式測(cè)溫儀器從原理上分有亮度式測(cè)溫儀和比色式測(cè)溫儀[5]。亮度式測(cè)溫儀是測(cè)出物體在某一波長(zhǎng)上的輻射能量，從而獲取被測(cè)物體的溫度。其優(yōu)點(diǎn)為抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)為接受的輻射能量較小。比色式測(cè)溫儀是測(cè)出物體在2個(gè)特定的狹窄波長(zhǎng)段上的輻射能比值，從而獲取被測(cè)物體的溫度[6]。其優(yōu)點(diǎn)是可以克服光路系統(tǒng)的某些干擾，適應(yīng)能力強(qiáng)，儀表示值接近真實(shí)溫度，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，只能測(cè)量高溫物體。

本文研究的非接觸測(cè)溫系統(tǒng)是基于紅外雙波段比能量的方法，如果選用工作波段長(zhǎng)度適合的傳感器，則能夠比亮度式測(cè)溫儀和比色式測(cè)溫儀測(cè)量更低的物體溫度。本非接觸測(cè)溫系統(tǒng)針對(duì)表面發(fā)射率穩(wěn)定的材料的中高溫(300～550 ℃)溫度的精確測(cè)量，適用于某些只能使用非接觸測(cè)溫的場(chǎng)合，如測(cè)量高速旋轉(zhuǎn)的渦輪盤(pán)溫度的情況。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需已知被測(cè)物體的發(fā)射率，只需被測(cè)物體的表面發(fā)射率穩(wěn)定(如已經(jīng)被多次高溫加熱)，使用前先用與被測(cè)物體材料和氧化程度相同的物體進(jìn)行標(biāo)定，即可進(jìn)行多次溫度測(cè)量。

1 理論分析

1.1 紅外雙波段比能量法的理論研究

雙波段比能量測(cè)溫法是基于比色測(cè)溫理論的延伸。比色測(cè)溫法是通過(guò)測(cè)量2個(gè)相鄰狹窄波段內(nèi)輻射強(qiáng)度的比值來(lái)求取目標(biāo)輻射源真實(shí)溫度的方法，可顯著減少由于發(fā)射率估計(jì)不準(zhǔn)確帶來(lái)的溫度誤差[7]。但由于比色測(cè)溫法選取的是相鄰狹窄波段，其輻射能量較小，不易被傳感器測(cè)得[8]，故應(yīng)用比色測(cè)溫法的測(cè)溫系統(tǒng)通常只用于測(cè)量高溫物體。

雙波段比能量測(cè)溫法是測(cè)量目標(biāo)在2個(gè)波段上的輻射積分，通過(guò)其比值來(lái)確定目標(biāo)溫度[9]。雙波段比能量法的優(yōu)點(diǎn)是即使被測(cè)物體表面溫度較低，傳感器仍然能夠獲得足夠高的輻射信號(hào)。

首先假設(shè)2個(gè)紅外傳感器工作波段分別為λ11～λ12和λ21～λ22。其接受熱輻射獲得電信號(hào)分別為V1和V2，根據(jù)輻射傳熱學(xué)的基本定律，V1和V2可分別表示為[10-11]：

(1)

(2)

式中S12和S22分別為2個(gè)傳感器的電學(xué)系數(shù)。

如果2個(gè)傳感器采用信號(hào)放大倍數(shù)為常數(shù)，則其放大倍數(shù)的比值為常數(shù)，即

(3)

定義一個(gè)比例因子K，其為以上2個(gè)傳感器接受輻射產(chǎn)生的電壓信號(hào)的比值，則表達(dá)式為

(4)

然后，假設(shè)被測(cè)物體在2個(gè)波段內(nèi)的平均發(fā)射率為常數(shù)，且比值為b，則式(4)可繼續(xù)推演為式(5)。

(5)

此函數(shù)是T的單調(diào)函數(shù)，每個(gè)K值對(duì)應(yīng)唯一的溫度值，這樣，只需在首次使用時(shí)，使用與被測(cè)目標(biāo)相同材料的物體對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行一次標(biāo)定，便可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)溫。

1.2 理想K因子曲線的理論研究

根據(jù)紅外雙波段比能量法的需求，選用了工作波段為0.9～1.65 μm(以下簡(jiǎn)稱(chēng)短波傳感器)和5.5～14.5 μm(以下簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)波傳感器)的2種紅外輻射傳感器。

設(shè)K因子為短波傳感器測(cè)得能量E1與長(zhǎng)波傳感器測(cè)得能量E2的比值。由于探測(cè)器中2個(gè)傳感器的位置近似相同，則根據(jù)普朗克定律可以推導(dǎo)出K因子的顯函數(shù)，見(jiàn)式(6)[12-14]：

(6)

令

(7)

(8)

則

(9)

其中，

(10)

同理，W2的計(jì)算結(jié)果如下：

(11)

長(zhǎng)波傳感器的探測(cè)波長(zhǎng)為5.5～14.5 μm，短波傳感器的探測(cè)波長(zhǎng)為0.9～1.65 μm，將數(shù)據(jù)帶入式(9)、式(10)和式(11)中，即可計(jì)算得到溫度與K因子的函數(shù)特性曲線(以下簡(jiǎn)稱(chēng)T-K曲線)。圖1為計(jì)算得到的本探測(cè)系統(tǒng)的無(wú)任何放大倍數(shù)的理論的T-K曲線。

圖1 本探測(cè)系統(tǒng)的理論T-K曲線

從圖1可以看到，理論T-K曲線是一條單調(diào)函數(shù)曲線。每個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)唯一的K因子值，且溫度越高，K因子增量越大。

2 非接觸測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

信號(hào)檢測(cè)及處理電子系統(tǒng)的技術(shù)方案如圖2所示(以下簡(jiǎn)稱(chēng)電子系統(tǒng))。探測(cè)器中的長(zhǎng)波傳感器與短波傳感器分別是對(duì)不同波長(zhǎng)的熱輻射敏感的傳感器，能將熱輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)；溫度傳感器用來(lái)檢測(cè)傳感器的工作環(huán)境溫度，從而對(duì)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)響應(yīng)進(jìn)行溫度漂移補(bǔ)償。信號(hào)處理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)上述傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和轉(zhuǎn)換，最終經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析、運(yùn)算并打包，由通訊系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。系統(tǒng)使用220 V交流電進(jìn)行供電，并進(jìn)行降壓、穩(wěn)壓和降低紋波等步驟，產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各直流電壓。

圖2 信號(hào)檢測(cè)及處理電子系統(tǒng)技術(shù)方案

2.1 長(zhǎng)波傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)電子電路

長(zhǎng)波傳感器是以熱電堆為核心的紅外輻射傳感器，經(jīng)過(guò)分析和研究，提出其信號(hào)檢測(cè)前置放大器電子電路技術(shù)方案如圖3所示。該傳感器根據(jù)熱輻射量的大小，可產(chǎn)生0～60 mV的電壓量，前置放大電路應(yīng)用儀表放大器，將信號(hào)放大至足夠幅度?？紤]信號(hào)上會(huì)疊加工頻及其他高頻的噪聲，儀表放大器的輸出端接入1個(gè)二階的10 Hz巴特沃斯低通濾波器，以消除工頻和高頻噪聲。

圖3 長(zhǎng)波傳感器信號(hào)檢測(cè)電子電路

2.2 短波傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)電子電路

短波傳感器可以等效為紅外光敏二極管，其接收熱輻射后可以產(chǎn)生一定幅度的電流信號(hào)。因此，短波傳感器前置放大器電子電路可按高性能電流放大器來(lái)考慮，然后進(jìn)行電流和電壓轉(zhuǎn)化。

圖4為短波傳感器電子電路的設(shè)計(jì)。在電路最后輸出級(jí)，可獲得足夠幅度的電壓信號(hào)輸入至A/D轉(zhuǎn)換器并由電子系統(tǒng)的微計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)處理?？紤]信號(hào)上會(huì)疊加工頻及其他高頻的噪聲，儀表放大器的輸出端接入1個(gè)二階的10 Hz巴特沃斯低通濾波器，以消除工頻和高頻噪聲。

圖4 短波傳感器信號(hào)檢測(cè)電子電路

2.3 非接觸測(cè)溫系統(tǒng)

非接觸測(cè)溫系統(tǒng)的探測(cè)器及線路板照片如圖5所示。探測(cè)器直徑為15 mm，長(zhǎng)度為150 mm。每個(gè)探測(cè)器內(nèi)部均含有1個(gè)長(zhǎng)波傳感器與1個(gè)短波傳感器。探測(cè)器使用風(fēng)冷控制溫度，探測(cè)窗口使用硒化鋅玻璃片隔絕探測(cè)器與外部環(huán)境。

線路板由2部分組成，分別為信號(hào)調(diào)理線路板及數(shù)據(jù)處理線路板。信號(hào)調(diào)理線路板負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換8個(gè)探測(cè)器共16個(gè)熱輻射傳感器的信號(hào)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)處理線路板傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波采集，并將數(shù)據(jù)打包后上傳到PC上位機(jī)端進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)處理線路板內(nèi)置電源系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。

(a)探測(cè)器實(shí)物圖

3 非接觸測(cè)溫系統(tǒng)的試驗(yàn)與驗(yàn)證

3.1 面源黑體爐試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證探測(cè)器的初步可行性，首先在發(fā)射率穩(wěn)定的面源黑體爐上進(jìn)行試驗(yàn)。

將非接觸測(cè)溫系統(tǒng)在面源黑體爐上進(jìn)行標(biāo)定，獲得不同溫度點(diǎn)的2個(gè)傳感器的輻射信號(hào)，并將2個(gè)傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)做比，測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 非接觸測(cè)溫系統(tǒng)標(biāo)定300～500 ℃的面源黑體爐的數(shù)據(jù)

由計(jì)算機(jī)軟件根據(jù)表格1中的數(shù)據(jù)繪制得到T-K曲線，如圖6所示。

圖6 黑體爐的T-K曲線

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，擬合得到面源黑體爐在300～550 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，溫度與K因子的關(guān)系式為

T=-0.715x4+9.89x3-51.367x2+142.06x+271.36

(12)

為驗(yàn)證黑體爐T-K曲線的準(zhǔn)確性，使用非接觸測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量隨機(jī)抽取黑體爐的幾個(gè)溫度點(diǎn)，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)代入式(12)中，求得在該溫度點(diǎn)下的非接觸測(cè)溫的預(yù)測(cè)溫度及誤差，其數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 黑體爐T-K曲線驗(yàn)證試驗(yàn)的測(cè)量及計(jì)算數(shù)據(jù)

由表2數(shù)據(jù)可知，黑體爐T-K曲線擬合程度較好，預(yù)測(cè)溫度與實(shí)際溫度誤差不超過(guò)5 ℃，測(cè)量精度符合預(yù)期要求，試驗(yàn)結(jié)果可以驗(yàn)證理論分析的正確性。

3.2 樣板試驗(yàn)驗(yàn)證

使用非接觸測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)多種樣板進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，下面以黃銅樣板的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行舉例說(shuō)明。

首先將一塊黃銅樣板進(jìn)行多次加熱氧化，使其表面發(fā)射率較為穩(wěn)定。樣板氧化前后照片如圖7所示。

(a)加熱氧化前

使用非接觸測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)加熱氧化后的黃銅樣板進(jìn)行標(biāo)定，獲得不同溫度點(diǎn)的2個(gè)傳感器的輻射信號(hào)，并將2個(gè)傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)做比，標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 非接觸測(cè)溫系統(tǒng)標(biāo)定270～550 ℃的黃銅樣板的數(shù)據(jù)

根據(jù)標(biāo)定的結(jié)果，繪制出樣板的T-K曲線如圖8所示。

圖8 黃銅樣板的T-K曲線

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，擬合得到樣板在270～550 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，溫度與K因子的關(guān)系式為

y=320.47x0.160 1

(13)

為驗(yàn)證黃銅樣板T-K曲線的準(zhǔn)確性，使用非接觸測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量隨機(jī)抽取的幾個(gè)溫度點(diǎn)，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)代入式(13)中，求得在該溫度點(diǎn)下的非接觸測(cè)溫的預(yù)測(cè)溫度及誤差，其數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 黃銅樣板T-K曲線驗(yàn)證試驗(yàn)的測(cè)量及計(jì)算數(shù)據(jù)

由表4數(shù)據(jù)可知，黃銅樣板的T-K曲線較好，測(cè)溫誤差不超過(guò)10 ℃，測(cè)量精度符合預(yù)期要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了紅外雙波段比能量法在非接觸輻射測(cè)溫方向的應(yīng)用，并使用面源黑體和金屬樣板對(duì)非接觸測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定及測(cè)量。非接觸測(cè)溫系統(tǒng)選用工作波段為0.9～1.65 μm和5.5～14.5 μm的紅外輻射傳感器，反復(fù)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)均具有較好的穩(wěn)定性。對(duì)非接觸測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)溫精度進(jìn)行了檢驗(yàn)，溫度偏差在10 ℃以?xún)?nèi)，達(dá)到了預(yù)期目的。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不需要輸入目標(biāo)發(fā)射率，解決了發(fā)射率不確定對(duì)非接觸測(cè)溫的影響，對(duì)中高溫物體的溫度測(cè)量研究具有重要意義。本系統(tǒng)由于短波傳感器的波段相對(duì)較窄，在低于300 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，短波傳感器信號(hào)較微弱，后續(xù)更換寬波段的傳感器則能夠使探測(cè)器測(cè)量更低的溫度。