光纖型紅外測溫儀消除輻射率對測溫結果影響的研究

2015-12-25 08:30:16郭卡曹春風

機械工程師 2015年1期

郭卡，曹春風

（大連交通大學，機械工程學院，遼寧大連116028）

0 引言

切削加工中，切削溫度對加工質量、刀具壽命具有非常大的影響，快速準確地把握切削溫度的狀況對設定合理的切削條件、提高加工質量、延長刀具壽命具有重要意義。溫度的測量方法很多，其中光纖式紅外測溫法是通過光纖接受物體的輻射光能量，通過光電探測器把紅外光信號轉化為電信號，再通過標定裝置最終得出物體溫度值的測溫方法［1-2］。

一切物體都在不停地向周圍空間發射著紅外輻射能量。物體的溫度越高，它輻射到周圍空間的能量就越多，因此，可以通過對物體自身輻射能量的測量，準確地測量它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫法所依據的客觀基礎。

1 消除輻射率對測溫的影響

1.1 輻射率與溫度關系的理論推導

所有自然界物質都能吸收輻射，如果某個物質對輻射到它上面的能量能全部吸收，則稱之為黑體。絕對黑體作為一個理想化的物理模型是不存在的。

黑體的輻射能與物體的溫度滿足斯蒂芬-玻爾茲曼公式：Jb（T）＝（λ，T）dλ＝σT4。式中：Jb（T）為全黑體輻射能量；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，5.670×10-8W/（m2·K4）。

根據斯蒂芬-玻爾茲曼公式可以看出，物體的輻射能與熱力學溫度的4次方成比例，因此，通過測量物體的輻射能量，可以得到該物體表面的溫度。但在溫度條件相同的情況下，物體的實際輻射率ε總是小于黑體的輻射率,即ε=J（T）/Jb（T），其中J（T）為一般物體的輻射能。所以J（T）=εJb（T），即J（T）=εσT4，物體的溫度。

物體的輻射率ε是一個常數，它與波長、物體表面特征和物體表面粗糙度等因素有關，它隨著物質的不同而不同，結構不同的同種物質其值也不同，只有黑體的ε=1，一般物質0＜ε＜1。因此，對于一個輻射溫度計在測量具體物體溫度時應該得到一個被測物體確定的輻射率ε，以糾正測得溫度值的誤差。在機械切削加工中，測量出工件材料和刀具材料的輻射率非常復雜，同時工件和刀具的氧化磨損也需要考慮，所以用測量得出輻射率來修正測量溫度的方法幾乎是不可能的。我們需要找到一種消除輻射率對測溫結果影響的方法。

1.2 比值處理法消除輻射率的影響

本光纖紅外測溫儀中光纖接受的輻射信號要靠光電特測器（如圖1所示）把輻射光信號轉化成電信號。此光電特測器采用復層結構，即光電轉換模塊采用了InAs/InSb復層半導體結構的光電探測器。砷化銦InAs與碲化銦InSb都具有高的響應，可達到1μs。在測溫范圍內，砷化銦與碲化銦有其不同的敏感波段。砷化銦InAs與碲化銦InSb的光譜特性曲線如圖2所示。

圖1 InAs/InSb光電探測器

圖2 復層構造光電探測器光譜特性圖

在測溫過程中，InAs和InSb兩個光電變換元件的接受的輻射能Λ1、Λ2可以用下式表示：

式中：Jb（λ，T）為溫度T時黑體的單色輻射能量，ε1（λ，T）、ε2（λ，T）為被測對象半球全輻射率；β1、β2為損失系數；F（λ）為光纖透過率函數；L（λ）為集光透鏡透過率函數；D1（λ）、D2（λ）為各光電變換元件相對靈敏度；λ1～λ2、λ3～λ4為可測定的波長范圍。

在上面公式中，單色溫度計InAs和InSb的輸出值分別考慮了輻射率ε1、ε2的影響。本研究中通過將式（1）、式（2）中兩個光電變換元件接受的輻射能Λ1、Λ2做比的方法，得到單色溫度計輸出信號的比值Λ，如下式

在測溫儀所測量的兩個波段 λ1～λ2、λ3～λ4內，被測物的半球全輻射率值可以認為是相同的，因此可以約去其中的 ε1和 ε2，所以式（3）可以轉化為式（4）。

因此，測溫儀的測量結果并不受物體輻射率的影響。由式（4）可以計算測溫儀的靈敏度曲線即比值-溫度曲線。可是，在實際的實驗中，由于求解正確的損失系數很困難，這里只是求解了相對靈敏度曲線。以下為本文中所研究的復層構造光纖紅外測溫儀的相對靈敏度曲線的求解方法。

由圖2知，InAs、InSb兩個光電變換元件可測量的波長范圍分別為0.24～3.1μm，3.1～5.6μm。溫度為 T、波長為λ時，溫度計的相對靈敏度與以下因素有關：1）溫度為T時的黑體輻射能量Jb（λ，T），可由普朗克定理求得。2）InAs光電變換元件與InSb光電變換元件的透過率函數D1（λ）、D2（λ），可由圖2光電變換元件光譜特性曲線求得。3）紅外光纖的透過率函數F（λ），可由光纖損耗曲線求得。4）氟化鈣透鏡的透過率函數L（λ），可由透鏡透過率曲線求得。將這些所有的因素相乘后，在相應波段上積分就可以得到InAs光電變換元件與InSb光電變換元件的相對靈敏度曲線函數（如圖5中實線）。每一種物體的輻射率ε不同，但是同一物體在相近波段內的輻射ε可以認為是相同的。在計算測溫儀的相對靈敏度曲線（如圖5中實線）時采用比值形式，可以將輻射率ε對溫度值的影響過濾掉，巧妙地避開了這一國際性難題。

2 由標定裝置獲得測溫儀電勢-溫度關系曲線

2.1 標定原理及標定裝置

下面介紹的標定裝置，從結構和原理上將測溫過程中紅外輻射率的影響降至最小。標定原理如圖3所示，首先通過加熱元件對試件進行加熱，在加熱試件的過程中選取不同時間節點使用紅外測溫儀和標準熱電偶同時對試件進行測溫，試件發出的紅外線通過光纖被導入紅外測溫儀，被光電變換元件轉變為電信號被示波記錄儀接受并儲存，與此同時，標準熱電偶產生的電信號也被記錄儲存，由此可以建立紅外測溫儀輸出的電信號和標準熱電偶溫度的對應關系，完成對測溫儀的標定［3-4］。

標定系統的結構示意圖如圖4所示，由光纖、標定試件、發熱體、滑動調壓器、加熱系統、0℃恒溫器、鎳鉻-鎳硅標準熱電偶、電動式光纖夾持定位機構，多通道數字示波器等組成。加熱試件時采用滑動調壓器逐步提高輸入電壓控制試件的加熱速度，確保溫度緩慢升高，從而使熱量能夠平穩地傳遞給標定試件。保溫包覆層由石棉土、耐火土等按一定比例配制而成，具有保溫絕緣的作用，并且具有一定的強度［5-6］。

圖3 標定原理

圖4 標定裝置系統結構示意圖

2.2 測溫儀電勢-溫度關系曲線的獲得

本次實驗采用的標定法是利用了用鎳鉻-鎳硅標準熱電偶和測溫儀同時測量同一個加熱件，由于鎳鉻-鎳硅標準熱電偶的電勢-溫度關系曲線是已知的，可以通過查《熱電偶分度手冊》得到。在這個過程中，由于標準熱電偶與紅外光纖同時同地對同一物體進行測量，因此，標準熱電偶與復層構造光纖紅外測溫儀可認為處于相同溫度。標準熱電偶輸出信號比對《熱電偶分度手冊》，便可獲得電勢值對應的溫度值，將該溫度值與紅外測溫儀所測得的數值相對應，即可標定出測溫儀的溫度-電壓關系特性曲線［7-9］。

獲得測溫儀電勢-溫度關系曲線具體步驟為：

1）整理標準鎳鉻-鎳硅熱電偶的數據，繪制標準鎳鉻-鎳硅熱電偶電勢差-時間關系曲線；

2）將數字示波儀記錄的數據輸入Origin軟件，經過計算擬合后得到InAs電勢值-時間關系曲線、InSb電勢值-時間關系曲線、InAs/InSb比值-時間關系曲線；

3）查《熱電偶分度手冊》，標準鎳鉻-鎳硅熱電偶電勢差與溫度關系曲線。

由熱電偶-紅外快速標定法原理可知，在同一時刻，標準鎳鉻-鎳硅熱電偶電勢差、InAs電勢值、InSb電勢值、InAs/InSb比值對應同一溫度值。將步驟1）～步驟3）求得的5組曲線進行對比，就可以得到復層構造光纖紅外測溫儀的標定曲線。圖5即為測溫儀標定結果。