基于光電探測的多光譜測溫裝置

張 磊，陳紹武，趙海川，王 平，武俊杰

(西北核技術研究所 激光與物質相互作用國家重點實驗室，陜西 西安 710024)

1 引 言

輻射法測溫技術因擁有非接觸式測量的優勢,一直以來深受人們的關注,尤其在爆炸場測溫領域,一直是廣大學者研究探索的熱門領域[1-3]。爆炸場溫度測量過程中,由于被測目標場的溫度通常高達數千度,而爆炸反應歷程非常短,需要測量系統的響應速度達到納秒乃至微秒量級。同時,有些場合需要滿足遠距離傳輸、抗震動、抗電磁干擾等要求,傳統的溫度測量方法難以適用,輻射法測溫體現出了明顯的優勢。目前,國內外已有的輻射場非接觸式溫度測量方法主要包括比色測溫法[4]、6波長測溫法[5]、 8波長高溫計[6]和光譜測量法等以及由以上方法衍生出來的相關方法。

本文基于多光譜測溫理論,利用光電探測技術響應速度快的優勢,研制了響應時間為百納秒的多光譜測溫裝置。實現了高溫輻射源的高溫測量,為爆炸場溫度測量提供了設計思路和技術支持。

2 多光譜輻射測溫理論

絕對黑體的輻射強度是波長和溫度的函數,輻射強度E(λ,T)可用普朗克公式表示為下式[7-9]：

(1)

式中,λ為工作波長,T為工作溫度,C1和C2分別為第一輻射常數和第二輻射常數。通過測量某波段的輻射功率可以間接得到輻射場的溫度,如圖1所示。

圖1 不同溫度下的譜功率密度出射率與波長的關系Fig.1 Relationship between the emissivity of spectral power density and wavelength at different temperature

通常,光譜輻射場的輻射強度受其表面發射率ε(λ,T)的影響,因此輻射測溫原理可以用公式(2)表示。

(2)

輻射溫度為3 000 K以下時,可將輻射測溫的普朗克公式(2)近似為維恩公式(3),使問題的討論和計算得到簡化。

(3)

對公式(3)兩邊取對數,可以得到：

lnE(λ,T)+5lnλ+C2/λT-lnC1=

lnε(λ,T) ,

(4)

其中,lnE(λ,T)是測量值,C1是常數,預設波長λ也是已知的,因此可以設A的表達式如下：

A=lnE(λ,T)+5lnλ-lnC1.

(5)

根據經驗,當溫度低于3 000 K時,可假設光譜發射率的對數與波長具有以下關系：

lnε(λ,T)=a0+a1λ+a2λ2+…+amλm,

(6)

由式(4)～式(6)得到:

a2λ3+…+amλm+1.

(7)

測量時，取n個波長處的光譜強度進行測量,即可得到n個方程。方程組有解的必要條件是n≥m+2,求出m+2個系數,便可擬合出動態溫度。

3 基于光電探測的多光譜測溫裝置

3.1 輻射測溫裝置

多光譜輻射測溫裝置主要由準直透鏡、傳輸光纖、分光單元、探測陣列[10-11]、數據采集單元及電腦終端組成。其總體結構如圖2所示。

圖2 測溫裝置總體結構示意圖Fig.2 Structure schematic of temperature measuring device

系統工作過程中,準直透鏡對準待測區域,待測溫度場的輻射光信號通過系統前端的準直透鏡耦合進入測量系統,經光纖傳輸后進入分光單元,分光單元在一定波長范圍內對光信號進行波長選擇,將其分成多路光信號,之后進入多元線性探測陣列,不同波長的光信號經過探測陣列轉換成電信號,輸出的電信號被高速數據采集單元進行采集處理。根據探測陣列的響應率計算得到每一路入射光的輻射強度,通過多波長點的輻射強度擬和得出待測區域的溫度。

3.2 分光單元及探測陣列

測量裝置的分光單元主要包括分光光柵與反射鏡組,結合所采用探測陣列的光譜響應范圍,分光單元將入射信號光在300～800 nm波段均勻分成32路,選取每段的中心波長作為測量波長。通過反射鏡組的多次反射,進行光束整形,最終形成平行光束后進入后面的線性探測陣列。

探測陣列是由快速響應的光電探測單元組成的32路線性陣列,每個探測單元分別對應前面分光單元的一路輸出信號。為了滿足快速響應,探測單元響應時間小于1 ns。由于輻射信號強度較弱,設計增益大于106。光信號經探測陣列完成光電轉換后輸出32路電壓信號被數據采集模塊采集。

3.3 測量裝置標定

光電探測陣列作為測量裝置的傳感器,每一路探測單元對應的波長響應系數需通過標定給出。該裝置研制過程中利用已知輸出光譜能量的鹵鎢燈光源對測量裝置進行響應系數標定。鹵鎢燈輸出光譜曲線及實測的探測陣列光譜響應系數分別如圖3、4所示。

圖3 鹵鎢燈輸出光譜Fig.3 Output spectrum of tungsten halogen lamp

圖4 探測陣列光譜響應Fig.4 Spectrum response of detection array

4 標準輻射源溫度測量

為了進一步對測量裝置的溫度進行修正,本文利用標準的高溫輻射源進行了高溫實驗驗證。實驗中,分別設置不同的溫度點進行實驗測量,通過比對裝置的實際測量值與溫度標準值進行校正,最終實現溫度的準確測量。

表1 裝置實測值與標準值比對

利用測量裝置實測電壓信號,推算出不同波長的功率譜密度,進而擬合得到所對應的溫度曲線。典型的擬合曲線如圖5所示。

從實驗結果看,需要對測量裝置的測量結果進行整體修正,利用測量結果與真實溫度的偏差對探測陣列的光譜響應曲線進行修正校準。

圖5 典型擬合溫度曲線Fig.5 Typical fitting temperature curves

修正后再用標準輻射源進行實驗驗證,得到不同溫度點的實測值與標準值如表2及圖6所示。

表2 裝置修正后實測值與標準值比對

圖6 修正后溫度曲線Fig.6 Corrected temperature curves

從上述實驗結果可知,測量裝置經過修正后,對不同溫度的測量結果比較準確。

5 結 論

本文設計的測溫裝置利用具有快速響應的光電探測單元作為傳感器，提高了響應速度。采用陣列結構設計，增加了波長點數，提高了溫度擬合的精度。研制過程中利用鹵鎢燈作為標準光源對測量裝置進行了響應系數標定,通過標準輻射源溫度測量實驗,驗證了該裝置溫度測量的可靠性。測量裝置借鑒了以往光譜輻射理論經驗的基礎上,設計了多通道快響應測量方案,為爆轟場、沖擊波等瞬時溫度場的測量提供新的手段和技術。