基于比色原理的瞬態溫度測試系統

摘 要：針對傳統瞬態溫度測試中存在的破壞被測溫度場分布、使用壽命短、響應速度低等問題，設計一種基于比色原理的瞬態溫度測試系統。介紹系統的結構以及測溫原理，為提高整個系統的易用性，對系統進行小型化設計。其中，對濾光片與兩象限探測器進行一體化設計，利用單片機完成實驗數據的處理以及結果的實時顯示，最后對整個系統進行封裝。由高溫黑體爐對系統進行靜態標定來獲得系統的靜態系數K。在實驗室環境中，利用氫氧焰機加熱靶體的方式模擬瞬態溫度場。同時利用已標定過的比色測溫系統以及紅外測溫儀Modline5測量瞬態溫度，在600～1 200 ℃的測溫范圍內，兩者的誤差<1%，可以滿足瞬態溫度測試的要求。

關鍵詞：瞬態溫度；比色測溫原理；光學器件；單片機；測溫精度

文獻標志碼：A 文章編號：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

在生產和科研過程中，準確地測量溫度，對于保證產品質量和獲得準確的科研數據有十分重要的意義[1]。在彈藥爆炸，航空、航天發動機試驗測試中，有許多研究對象需要測量瞬態溫度場。目前，國內外大多采用接觸式熱電偶作為測溫手段。但是熱電偶的安裝不僅會破壞溫度場的分布，導致測溫出現誤差，而且還存在易腐蝕，壽命短等問題[2-3]。

因此，本文設計了一種基于比色原理的瞬態溫度測試系統，能夠較好地減少目標發射率變化對測溫精度的影響。同時，還具有響應快，精度高，體積小，操作簡單，測量結果實時顯示等優點，是一種便攜化的瞬態溫度測試系統。

1 比色測溫原理

比色測溫是依據被測溫度場在兩個相鄰波長下的輻射出射度比值與溫度的對應關系來測量溫度。其理論基礎是普朗克定律[4]。由光電探測器接收到的兩個波段范圍的輻射能量，轉換為兩路光電流[5]，則兩波段的輻射能量比值有：

當兩個濾光片的波長相近時，可忽略發射率的影響。則K為與溫度無關的系統常數，可由靜態標定獲得[10-11]。

2 比色測溫系統設計

比色測溫系統的原理框圖如圖1所示，系統由藍寶石窗、物鏡、場鏡、兩個不同波長的窄帶濾光片，兩象限探測器及信號調理電路組成。在測量時，將比色測溫系統對準瞬態溫度場。被測溫度場發出的光輻射，經由藍寶石窗、物鏡、場鏡的調整，以兩束平行光通過兩個不同波長的濾光片，成像到兩象限探測器的光敏面上，產生兩路光電流。兩路光電流信號經由信號調理電路轉換成電壓信號。最后，利用單片機完成A/D轉換，并進行數據處理，最后的結果顯示在LCD屏幕上。

2.1 光電信號轉換模塊

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

由于兩象限探測器輸出的光電流太小，不利于測量。因此需要信號調理電路對信號進行濾波放大。放大電路原理圖如圖2所示。兩路放大電路完全對稱，放大倍數為1 000倍。穩壓二極管采用DO-35型，基本參數為：額定功率500 mW，穩壓在2.4 V，運放型號OPA340，其帶寬為5.5 kHz。

2.2 單片機模塊

本文測試系統中的單片機選擇了一塊基于ARM處理器的STM32芯片。STM32系列采用了ARM Cortex-M3內核，具有高性能、低成本、低功耗的特點[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的閃存存儲區以及2個12位的數模轉換器，最快轉化時間為1 μs。

2.3 系統軟件設計

軟件編程的主要內容包括DMA傳輸配置，A/D通道配置，時鐘配置以及LCD顯示。DMA整體配置為：使用DMA1的通道1，每次傳輸的數據大小為半字，使用DMA循環輸出模式[14]。由于本系統需要雙通道進行采樣，因此，配置了ADC1通道1與4進行采樣，通道采樣時間為7.56 μs。使用STM32的FSMC接口對LCD屏幕進行驅動，以實現溫度的實時顯示。

系統軟件的工作流程如圖3所示。系統完成初始化，當單片機部分接收到來自放大電路輸出的兩路電壓之后，經A/D轉換成為數字信號，利用溫度計算公式與系統靜態標定系數K值得出輸出電壓的對應溫度，即為被測溫度場的瞬態溫度，顯示在LCD屏幕上。

為了提高測溫系統的精度，可以定期對系統K值進行標定，并將重新標定后的K值寫入程序中，以實現溫度的精準測量。

2.4 系統小型化

為了滿足更多條件下的溫度測量，擴充系統的使用場景。對整個系統進行了小型化設計。如圖4（a）所示，系統由1塊電壓為5 V的鋰電池供電，電池可以進行多次充電，以滿足系統的長時間使用。控制電路用4個螺柱固定，提高了系統的穩定性。整個光學系統進行組合，并固定在殼體前端，提高系統的易用性。最后，對整個系統進行封裝，如圖4（b）所示。

3 靜態標定

裝置的靜態標定采用M390型高溫黑體爐，標定的起始溫度設置為600 ℃，每隔20 ℃進行一次數據采集，采集到1 200 ℃結束。靜態標定的框圖如圖5所示，設高溫黑體爐的顯示溫度為T，由式（3）得到R1（T）的值。同時，利用比色測溫裝置對高溫黑體爐進行測量，得到兩路輸出電壓，計算出相應的光電流，得到R（T）的值。然后根據式（4）求得系統K值。為了減小系統的誤差，對K值進行修正，繪制出R（T）-T的曲線。實際測量中，利用測得的R（T）值，求出與之對應的溫度值。

4 瞬態溫度測試實驗

實驗利用JD180氫氧焰機加熱不銹鋼靶體所形成的近似恒溫區作為測試對象，利用比色測溫裝置與美國IRCON公司生產的Modline5系列5R-1410型紅外測溫儀進行測量。以Modline5測量的溫度作為真實溫度。測試原理圖如圖6所示。

通過對實驗結果的分析，選擇了5個時間點分別作為代表性樣點，實驗結果如表1所示。其中TModline5為紅外測溫儀Modline5溫度，TSystem為比色測溫系統溫度。

5 結束語

瞬態溫度測試系統具有體積小、穩定性好、精度高、可重復性高等特點，并減少了發射率變化對測溫結果的影響，同時實現了溫度的實時顯示與自動化。利用經過靜態標定的比色測溫系統對靶體進行了溫度測量，測溫結果與Modline5結果誤差<1%。可以滿足瞬態溫度的測試要求。

參考文獻

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（編輯：劉楊）