杜岳濤

(西安工業(yè)大學(xué)電信學(xué)院，陜西西安 710061)

紅外光譜發(fā)射率是物體表面熱物理性質(zhì)參數(shù)的熱輻射能力,其測(cè)量方法眾多,其中包括反射率法、熱量法、能量法及量熱法等,在對(duì)高溫材料進(jìn)行測(cè)量時(shí)常用到光譜發(fā)射率輔助測(cè)量,即測(cè)量樣品輻射能量的紅外光譜以及材料的黑體光譜的發(fā)射率之比。當(dāng)使用能量比較的方式時(shí),被測(cè)樣品物體表面溫度的準(zhǔn)確性將會(huì)對(duì)發(fā)射率的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響,很難做到精準(zhǔn)的測(cè)量樣品表面溫度。當(dāng)采用接觸法測(cè)量物體表面溫度時(shí),由于輻射到樣品環(huán)境的熱量損失較大、樣品表面溫度與內(nèi)部溫度相差較大、加熱基材溫度較大,在較高溫度環(huán)境下,較厚的樣品材料基于以上條件下導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量誤差較大,通常需要采取補(bǔ)救措施對(duì)其進(jìn)行修訂。當(dāng)采用非接觸輻射溫度測(cè)量方式時(shí),基于樣品本身發(fā)射率會(huì)產(chǎn)生較大影響,通常需要裝備輔助發(fā)射率測(cè)量設(shè)備以校正測(cè)量出的輻射溫度。

1 非理想條件復(fù)合材料多光譜測(cè)溫概述

1.1 黑體輻射測(cè)溫理論

溫度高于絕對(duì)零度的任何物體都會(huì)持續(xù)向環(huán)境輻射電磁波。輻射傳熱作為一種非接觸式的傳熱模式,即使在真空中也可以完成傳熱任務(wù),其依據(jù)輻射的電磁波以完成現(xiàn)冷熱目標(biāo)之間的能量傳遞。從目標(biāo)內(nèi)部發(fā)出的電磁波理論程度上可以波及全部光譜范圍,但是在輻射溫度測(cè)量領(lǐng)域通常使用0.4～20μm的光譜范圍[1]。

1.2 普朗克輻射定律

黑體參考標(biāo)準(zhǔn)源是對(duì)象輻射的標(biāo)準(zhǔn)值,所有對(duì)象的輻射能全部小于等于黑體的輻射能。黑體輻射理論所參考的基本定律是普朗克輻射定律[2],其描述不同溫度環(huán)境下黑體光譜輻射的分布方式。

1.3 光譜發(fā)射率

發(fā)射率是描述材料表面的熱輻射能力的無(wú)量綱物理量,其定義是在相同溫度與環(huán)境條件下,材料表面的輻射亮度與黑體的輻射亮度之比。所有立體角方向和波長(zhǎng)上的材料表面發(fā)射率的定義可分為四類(lèi),即定向光譜發(fā)射率、定向總發(fā)射率、半球光譜發(fā)射率以及半球總發(fā)射率。

2 非理想條件復(fù)合材料光譜發(fā)射率多光譜測(cè)溫方法研究

2.1 復(fù)合材料溫度測(cè)量方法分類(lèi)

根據(jù)與溫度測(cè)量對(duì)象的接觸方式,溫度測(cè)量方法可以分為兩類(lèi):接觸溫度測(cè)量方法和非接觸溫度測(cè)量方法,具體分類(lèi)如圖1 所示[3-4]。

圖1 溫度測(cè)量方法的分類(lèi)Fig.1 Classification of temperature measurement methods

接觸溫度測(cè)量方法要求溫度感測(cè)原件與被測(cè)對(duì)象能夠直接接觸,其主要包含:壓力溫度測(cè)量、熱阻溫度測(cè)量、光纖溫度測(cè)量以及膨脹溫度測(cè)量。其中熱電阻溫度測(cè)量是目前使用最頻繁的溫度測(cè)量方式。熱電阻具備較寬泛的測(cè)量范圍,其能夠準(zhǔn)確測(cè)量物體較小端的溫度。熱電阻主要是由熱電阻絲、電阻探頭、線(xiàn)路保護(hù)管、固定部件以及接線(xiàn)盒所組成。其基本原理為:兩個(gè)材料組成不同的導(dǎo)體形成一個(gè)閉環(huán),當(dāng)物體兩端出現(xiàn)溫度階梯時(shí),將會(huì)有電流通過(guò)該環(huán)路,這時(shí)在導(dǎo)體之間形成熱電動(dòng)勢(shì),也就是塞貝克效應(yīng)[5]。熱電阻的優(yōu)勢(shì)是溫度測(cè)量廣泛、機(jī)械程度較高、抗壓性良好、能夠在極其惡劣環(huán)境中正常使用；然而其有一定缺點(diǎn):必須選在設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行安裝并在目標(biāo)物體中打孔,最后需要用高溫膠進(jìn)行固定,并且需要對(duì)其進(jìn)行物理、化學(xué)保護(hù)。

非接觸式溫度測(cè)量基于目標(biāo)的輻射特性,其包含聲學(xué)溫度測(cè)量方法、激光溫度測(cè)量方法、輻射溫度測(cè)量方法。依據(jù)理想氣體中聲速平方增加帶動(dòng)氣體熱力學(xué)溫度上升的定律,聲溫測(cè)量方法通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)聲學(xué)傳感器之間聲波的傳播時(shí)間,進(jìn)而計(jì)算沿傳播路徑的平均速度以及兩者之間的距離,然后依據(jù)所測(cè)溫度與速度之間的關(guān)系計(jì)算溫度[6]。激光溫度測(cè)量法是通過(guò)激光束在襯底板前后表面上反射光的干涉現(xiàn)象完成測(cè)量任務(wù),基板的熱膨脹隨溫度的變化而產(chǎn)生,并且其厚度的變化導(dǎo)致干涉條紋發(fā)生運(yùn)動(dòng),依據(jù)干涉條紋的移動(dòng)位置和熱膨脹指數(shù)獲得基板的溫度。輻射溫度測(cè)量方法通過(guò)測(cè)量目標(biāo)的光譜輻射來(lái)獲得目標(biāo)物體表面溫度,根據(jù)溫度測(cè)量原理,可分為亮度溫度測(cè)量、比色溫度測(cè)量、全輻射溫度測(cè)量、光譜極端溫度測(cè)量、近似黑體法和多光譜溫度測(cè)量。其中,使用電荷耦合器件檢測(cè)帶內(nèi)部熱輻射的溫度測(cè)量方法也稱(chēng)為熱成像溫度測(cè)量,利用光纖比作傳輸媒介,將目標(biāo)熱輻射傳輸?shù)焦庾V系統(tǒng)稱(chēng)為光輻射溫度測(cè)量。

2.2 多光譜測(cè)溫系統(tǒng)光路分光系統(tǒng)

(1)棱鏡分裂結(jié)構(gòu)。通過(guò)棱鏡的色散功能,將復(fù)合光分解成為不同波長(zhǎng)的單極色光,其具有能量損失低的優(yōu)勢(shì)；而其劣勢(shì)便是色散速率受棱鏡數(shù)量、材料和頂尖的影響,并且分辨率會(huì)隨波長(zhǎng)變化而產(chǎn)生幅動(dòng)。短波的分辨率相對(duì)較大且清晰,而長(zhǎng)波部分的分辨率較小且模糊,并且頻譜排列方式不均勻,光譜波長(zhǎng)數(shù)量增加會(huì)導(dǎo)致棱鏡的數(shù)量也隨之增加[7]。該結(jié)構(gòu)適合在波長(zhǎng)數(shù)少的情況下使用,目前多光譜測(cè)溫系統(tǒng)大部分還是利用棱鏡分裂結(jié)構(gòu)。

(2)過(guò)濾器分裂結(jié)構(gòu)。濾光器對(duì)特定頻帶中的光進(jìn)行選擇性吸收用于所需輻射頻帶中的光學(xué)器件,以獲得具有特定帶寬的單極光色。它具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、光通范圍廣泛、安裝與調(diào)控方便等優(yōu)勢(shì)特征；但其劣勢(shì)便是頻帶分辨率低且模糊,因此有必要依據(jù)需求為每種單極光色設(shè)計(jì)針對(duì)性的濾光波片。當(dāng)需要的帶寬較大時(shí),濾光波片的數(shù)量隨之增多,從而增加儀器的總體體積,以上情況適用于波長(zhǎng)較小的情況。

(3)光柵分裂結(jié)構(gòu)。運(yùn)用多狹縫干涉和單狹縫衍射的綜合原理,使長(zhǎng)度各異的波長(zhǎng)混合光通過(guò)光柵后,各波長(zhǎng)產(chǎn)生的主干干涉最大值以不同角度發(fā)射,同一光柵光譜中不同波長(zhǎng)的光譜線(xiàn)按照波長(zhǎng)順序排列,最后組成系列的離散光譜線(xiàn)[8]。光柵是光譜系統(tǒng)的主要組成部分,具有較高分辨率、均勻的光譜排列方式和大量產(chǎn)生的波段等特點(diǎn)；其劣勢(shì)是將會(huì)產(chǎn)生多級(jí)別光譜,存在一定程度的光能損耗,為有效減少光能零級(jí)損耗,可以利用閃耀光柵以增加光能利用率。

2.3 非理想條件復(fù)合材料多光譜測(cè)溫方法

獲得目標(biāo)對(duì)象發(fā)射率或者發(fā)射率模型是進(jìn)行多光譜測(cè)量溫度方法的研究關(guān)鍵。獲得準(zhǔn)確發(fā)射率的方法有三種,詳細(xì)解析如下:查閱文獻(xiàn),依據(jù)所測(cè)量溫度的材料類(lèi)型在某些溫度點(diǎn)和波長(zhǎng)下獲得該材料的發(fā)射率；發(fā)射率的理論算法,依據(jù)電磁輻射相關(guān)理論,僅在確定材料類(lèi)型、已知摻雜比、光學(xué)常數(shù)檢查和表面粗糙度等條件下才能計(jì)算目標(biāo)發(fā)射率；依據(jù)材料種類(lèi)和以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)定材料發(fā)射率模型[9]。材料類(lèi)型的數(shù)量非常多,特別是基于復(fù)合材料科學(xué)的飛速發(fā)展,數(shù)量增長(zhǎng)速度極為驚人,在上述依據(jù)材料種類(lèi)選擇或設(shè)定發(fā)射率方法在實(shí)行中比較困難,得到的發(fā)射率受到材料成分和表面狀態(tài)的影響而不準(zhǔn)確。為優(yōu)化上述現(xiàn)象,大部分研究人員在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上研究多光譜溫度測(cè)量方法,但是所使用的波長(zhǎng)數(shù)量較少,并且不能準(zhǔn)確描述目標(biāo)物體發(fā)射率特征優(yōu)勢(shì)。在這類(lèi)方法中,使用不同的發(fā)射率模型以完成亮溫度樣本材料數(shù)據(jù),并且從亮溫度樣本中獲知真實(shí)溫度與目標(biāo)溫度之間的非線(xiàn)性映射關(guān)系,而無(wú)法識(shí)別目標(biāo)樣本的發(fā)射率模型。對(duì)于經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的樣本,能夠獲得良好的溫度計(jì)算數(shù)據(jù)；而對(duì)于未經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的樣本,其在使用范疇中將會(huì)受到一定限制。

2.4 復(fù)合材料光譜識(shí)別測(cè)溫方法

光譜識(shí)別的多光譜測(cè)溫(MSTSR)包括對(duì)象光譜判別、基于波極長(zhǎng)度優(yōu)化的多光譜溫度感測(cè)模型,其基本原理構(gòu)造如圖2 所示。對(duì)象光譜判別方法主要研究對(duì)象光譜的輻射性能,建立每種光譜相對(duì)應(yīng)的發(fā)射率模型,研究對(duì)象光譜的特征辨別方式以及分類(lèi)判別方法,并最終完成對(duì)象光譜的判別[10]。建立基于波極長(zhǎng)度優(yōu)化的多光譜溫度測(cè)量模型,通過(guò)確定的對(duì)象光譜類(lèi)型選擇對(duì)應(yīng)的發(fā)射率模型進(jìn)行被測(cè)對(duì)象真實(shí)溫度的測(cè)量。

圖2 基于多光譜識(shí)別的多光譜測(cè)溫方法原理圖Fig.2 Schematic diagram of multispectral temperature measurement method based on multispectral recognition

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在測(cè)量復(fù)合材料的紅外光譜發(fā)射率中,多光譜優(yōu)化的溫度測(cè)量方法能夠有效增強(qiáng)被測(cè)樣品表面溫度的精確性。

(2)通過(guò)利用最優(yōu)的計(jì)算頻帶,利用冗余數(shù)據(jù)的穩(wěn)妥解決方式,并將計(jì)算中假定的光譜發(fā)射率模型與實(shí)際測(cè)量得到的數(shù)值進(jìn)行比對(duì)和迭代,能夠進(jìn)一步提升測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

(3)基于多光譜測(cè)溫優(yōu)化的光譜發(fā)射率測(cè)量方法,進(jìn)而能夠有效避免接觸測(cè)溫方式所產(chǎn)生的數(shù)差誤值,其應(yīng)用于測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)較差材料的高溫度光譜發(fā)射率。