基于比色原理的瞬態(tài)溫度測(cè)試系統(tǒng)

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)瞬態(tài)溫度測(cè)試中存在的破壞被測(cè)溫度場(chǎng)分布、使用壽命短、響應(yīng)速度低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于比色原理的瞬態(tài)溫度測(cè)試系統(tǒng)。介紹系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及測(cè)溫原理，為提高整個(gè)系統(tǒng)的易用性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。其中，對(duì)濾光片與兩象限探測(cè)器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，利用單片機(jī)完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理以及結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示，最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行封裝。由高溫黑體爐對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定來(lái)獲得系統(tǒng)的靜態(tài)系數(shù)K。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，利用氫氧焰機(jī)加熱靶體的方式模擬瞬態(tài)溫度場(chǎng)。同時(shí)利用已標(biāo)定過(guò)的比色測(cè)溫系統(tǒng)以及紅外測(cè)溫儀Modline5測(cè)量瞬態(tài)溫度，在600～1 200 ℃的測(cè)溫范圍內(nèi)，兩者的誤差<1%，可以滿足瞬態(tài)溫度測(cè)試的要求。

關(guān)鍵詞：瞬態(tài)溫度；比色測(cè)溫原理；光學(xué)器件；單片機(jī)；測(cè)溫精度

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2017）03-0083-04

Abstract： In order to solve problems in traditional measurement of transient temperature， such as ruined temperature field distribution， short service life and slow response speed， a transient temperature measurement system based on colorimetric principle is designed， and its structure and measurement principle are introduced. To improve the usability of the system， compact design is adopted by the system. The filter and two-quadrant detector are integrated. SCM is used to complete test data processing and real-time display of results. Finally， the whole system is packaged. The colorimetric temperature measurement system was calibrated by high-temperature blackbody furnace and the static calibration coefficient K is gained. In a lab environment， the transient temperature field is simulated by heating the target with the hydrogen-oxygen flame machine. At the same time， calibrated colorimetric temperature measurement system and infrared thermometer Modline5 are used for transient temperature measurement. The result shows that the relative error between them is less than 1% within a temperature range of 600-1 200 ℃， which meets the transient temperature measurement requirements.

Keywords： transient temperature； colorimetric temperature measurement principle； optical device； SCM； precision of temperature measurement

0 引 言

在生產(chǎn)和科研過(guò)程中，準(zhǔn)確地測(cè)量溫度，對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量和獲得準(zhǔn)確的科研數(shù)據(jù)有十分重要的意義[1]。在彈藥爆炸，航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試中，有許多研究對(duì)象需要測(cè)量瞬態(tài)溫度場(chǎng)。目前，國(guó)內(nèi)外大多采用接觸式熱電偶作為測(cè)溫手段。但是熱電偶的安裝不僅會(huì)破壞溫度場(chǎng)的分布，導(dǎo)致測(cè)溫出現(xiàn)誤差，而且還存在易腐蝕，壽命短等問(wèn)題[2-3]。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于比色原理的瞬態(tài)溫度測(cè)試系統(tǒng)，能夠較好地減少目標(biāo)發(fā)射率變化對(duì)測(cè)溫精度的影響。同時(shí)，還具有響應(yīng)快，精度高，體積小，操作簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示等優(yōu)點(diǎn)，是一種便攜化的瞬態(tài)溫度測(cè)試系統(tǒng)。

1 比色測(cè)溫原理

比色測(cè)溫是依據(jù)被測(cè)溫度場(chǎng)在兩個(gè)相鄰波長(zhǎng)下的輻射出射度比值與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)測(cè)量溫度。其理論基礎(chǔ)是普朗克定律[4]。由光電探測(cè)器接收到的兩個(gè)波段范圍的輻射能量，轉(zhuǎn)換為兩路光電流[5]，則兩波段的輻射能量比值有：

當(dāng)兩個(gè)濾光片的波長(zhǎng)相近時(shí)，可忽略發(fā)射率的影響。則K為與溫度無(wú)關(guān)的系統(tǒng)常數(shù)，可由靜態(tài)標(biāo)定獲得[10-11]。

2 比色測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

比色測(cè)溫系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)由藍(lán)寶石窗、物鏡、場(chǎng)鏡、兩個(gè)不同波長(zhǎng)的窄帶濾光片，兩象限探測(cè)器及信號(hào)調(diào)理電路組成。在測(cè)量時(shí)，將比色測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)瞬態(tài)溫度場(chǎng)。被測(cè)溫度場(chǎng)發(fā)出的光輻射，經(jīng)由藍(lán)寶石窗、物鏡、場(chǎng)鏡的調(diào)整，以兩束平行光通過(guò)兩個(gè)不同波長(zhǎng)的濾光片，成像到兩象限探測(cè)器的光敏面上，產(chǎn)生兩路光電流。兩路光電流信號(hào)經(jīng)由信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。最后，利用單片機(jī)完成A/D轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后的結(jié)果顯示在LCD屏幕上。

2.1 光電信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊

光電探測(cè)器為1個(gè)具有4元PixelSensor的光電二極管陣列，排列在1個(gè)2 mm×2 mm的印刷電路板網(wǎng)格中，此光電二極管可在350～1 050 nm的光譜范圍內(nèi)響應(yīng)，包括2個(gè)交替的窄帶干涉濾光片。為降低噪聲和快速響應(yīng)，4個(gè)光電二極管共同擁有1個(gè)共陰極，且1、4象限和2、3象限分別共用1個(gè)濾光片，濾光片與2象限探測(cè)器的一體化結(jié)構(gòu)使得裝置更加小型化。

由于兩象限探測(cè)器輸出的光電流太小，不利于測(cè)量。因此需要信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波放大。放大電路原理圖如圖2所示。兩路放大電路完全對(duì)稱，放大倍數(shù)為1 000倍。穩(wěn)壓二極管采用DO-35型，基本參數(shù)為：額定功率500 mW，穩(wěn)壓在2.4 V，運(yùn)放型號(hào)OPA340，其帶寬為5.5 kHz。

2.2 單片機(jī)模塊

本文測(cè)試系統(tǒng)中的單片機(jī)選擇了一塊基于ARM處理器的STM32芯片。STM32系列采用了ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)[12-13]。

芯片的工作溫度范圍為-40～85 ℃，工作頻率最高為72 MHz，包含128 kB的閃存存儲(chǔ)區(qū)以及2個(gè)12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，最快轉(zhuǎn)化時(shí)間為1 μs。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件編程的主要內(nèi)容包括DMA傳輸配置，A/D通道配置，時(shí)鐘配置以及LCD顯示。DMA整體配置為：使用DMA1的通道1，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小為半字，使用DMA循環(huán)輸出模式[14]。由于本系統(tǒng)需要雙通道進(jìn)行采樣，因此，配置了ADC1通道1與4進(jìn)行采樣，通道采樣時(shí)間為7.56 μs。使用STM32的FSMC接口對(duì)LCD屏幕進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)顯示。

系統(tǒng)軟件的工作流程如圖3所示。系統(tǒng)完成初始化，當(dāng)單片機(jī)部分接收到來(lái)自放大電路輸出的兩路電壓之后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，利用溫度計(jì)算公式與系統(tǒng)靜態(tài)標(biāo)定系數(shù)K值得出輸出電壓的對(duì)應(yīng)溫度，即為被測(cè)溫度場(chǎng)的瞬態(tài)溫度，顯示在LCD屏幕上。

為了提高測(cè)溫系統(tǒng)的精度，可以定期對(duì)系統(tǒng)K值進(jìn)行標(biāo)定，并將重新標(biāo)定后的K值寫(xiě)入程序中，以實(shí)現(xiàn)溫度的精準(zhǔn)測(cè)量。

2.4 系統(tǒng)小型化

為了滿足更多條件下的溫度測(cè)量，擴(kuò)充系統(tǒng)的使用場(chǎng)景。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了小型化設(shè)計(jì)。如圖4（a）所示，系統(tǒng)由1塊電壓為5 V的鋰電池供電，電池可以進(jìn)行多次充電，以滿足系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間使用。控制電路用4個(gè)螺柱固定，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行組合，并固定在殼體前端，提高系統(tǒng)的易用性。最后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行封裝，如圖4（b）所示。

3 靜態(tài)標(biāo)定

裝置的靜態(tài)標(biāo)定采用M390型高溫黑體爐，標(biāo)定的起始溫度設(shè)置為600 ℃，每隔20 ℃進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，采集到1 200 ℃結(jié)束。靜態(tài)標(biāo)定的框圖如圖5所示，設(shè)高溫黑體爐的顯示溫度為T(mén)，由式（3）得到R1（T）的值。同時(shí)，利用比色測(cè)溫裝置對(duì)高溫黑體爐進(jìn)行測(cè)量，得到兩路輸出電壓，計(jì)算出相應(yīng)的光電流，得到R（T）的值。然后根據(jù)式（4）求得系統(tǒng)K值。為了減小系統(tǒng)的誤差，對(duì)K值進(jìn)行修正，繪制出R（T）-T的曲線。實(shí)際測(cè)量中，利用測(cè)得的R（T）值，求出與之對(duì)應(yīng)的溫度值。

4 瞬態(tài)溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)利用JD180氫氧焰機(jī)加熱不銹鋼靶體所形成的近似恒溫區(qū)作為測(cè)試對(duì)象，利用比色測(cè)溫裝置與美國(guó)IRCON公司生產(chǎn)的Modline5系列5R-1410型紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)量。以Modline5測(cè)量的溫度作為真實(shí)溫度。測(cè)試原理圖如圖6所示。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，選擇了5個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別作為代表性樣點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。其中TModline5為紅外測(cè)溫儀Modline5溫度，TSystem為比色測(cè)溫系統(tǒng)溫度。

5 結(jié)束語(yǔ)

瞬態(tài)溫度測(cè)試系統(tǒng)具有體積小、穩(wěn)定性好、精度高、可重復(fù)性高等特點(diǎn)，并減少了發(fā)射率變化對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)顯示與自動(dòng)化。利用經(jīng)過(guò)靜態(tài)標(biāo)定的比色測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)靶體進(jìn)行了溫度測(cè)量，測(cè)溫結(jié)果與Modline5結(jié)果誤差<1%。可以滿足瞬態(tài)溫度的測(cè)試要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 戴景民. 輻射測(cè)溫的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2004，23（3）：1-7.

[2] 邢冀川，劉廣榮，金偉其，等. 雙波段比色測(cè)溫方法及其分析[J]. 紅外技術(shù)，2002，24（6）：73-76.

[3] 曹立華，楊詞銀，萬(wàn)春明. 基于標(biāo)校的雙波段比色測(cè)溫法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2012，33（8）：1882-1888.

[4] 李云紅，馬蓉，張恒，等. 雙波段比色精確測(cè)溫技術(shù)[J]. 紅外與激光工程，2015，44（1）：27-35.

[5] 王哲. 比色測(cè)溫在鋼坯加熱爐中的工業(yè)應(yīng)用[D]. 合肥：安徽大學(xué)，2013.

[6] 王維，魏彬，回麗，等. 雙CCD比色測(cè)溫系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（10）：155-157.

[7] 吳海濱，劉純紅. 比色測(cè)溫理論中誤差修正函數(shù)的研究[J].量子電子學(xué)報(bào)，2009，26（1）：121-126.

[8] 張崇關(guān). 紅外輻射溫度測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[9] 張茹開(kāi). 爆炸瞬態(tài)溫度測(cè)試方法研究[D]. 太原：中北大學(xué)，2013.

[10] 徐寶昌，張丁元. 一種改進(jìn)的比色測(cè)溫方法研究[J]. 光電工程，2011，38（4）：1-6.

[11] 李云紅，王瑞華，李禹萱. 雙波段比色測(cè)溫技術(shù)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試[J]. 激光與紅外，2013，43（1）：71-75.

[12] 張晶. 基于CPLD的低功耗爆炸場(chǎng)溫度測(cè)試系統(tǒng)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（2）：92-93.

[13] 謝明，高梅國(guó)，王超. NAND型Flash在大容量存儲(chǔ)回放系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2006，32（4）：94-97.

[14] 李立煌. 具有無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能的瞬態(tài)溫度測(cè)試系統(tǒng)[D].太原：中北大學(xué)，2014.

（編輯：劉楊）