激光吸收法輻射測溫技術研究

王闊傳 張俊祺 張 奇

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

隨著科學技術的發展，溫度測量越來越受到重視，并且對測量準確度的要求也越來越高，隨著科研軍事及工業生產等領域的發展壯大，溫度測量與控制的研究也得到了有力的推進。

目前，按照溫度傳感器的使用方法，測溫方法可分為接觸法和非接觸法兩種。接觸測溫法的優點為測得的溫度是物體的真實溫度，其缺點是動態特性差，由于要接觸被測物體，故對被測物體的溫場分布有影響，而且受傳感器材料耐溫上限的限制，不能應用于超高溫測量等。非接觸測溫又稱為輻射測溫。輻射測溫在理論上不存在測溫上限，具有測溫范圍廣、響應速度快、不破壞被測對象溫場等特點。因此在實際應用中，輻射測溫技術越來越受到重視[1]。

激光吸收輻射測溫法(Laser absorption radiation thermometry, LART)，最早在上世紀60年代由德國PTB的De Witt和Kunz等人進行了研究。而后在90年代這個方法在英國和法國得到發展，之后又作為歐洲合作項目進行了進一步研究，其目的是在工業上解決真實溫度測量問題[1]。激光吸收輻射測溫法在輻射測溫領域突破了不破壞溫場是輻射測溫優勢的傳統思想，通過主動破壞溫場達到測量發射率比的目的，理論上可以完全消除發射率以及環境輻射等因素的影響，具有十分廣闊的應用前景。

2 輻射測溫技術發展中遇到的主要問題

在實際應用中由于絕大多數測溫對象都是非黑體，將黑體輻射定律直接用于實際測溫就會偏離真實溫度。在目前的情況下，用輻射測溫儀器直接讀取物體真實溫度還存在很多的困難，大多數的測溫儀所測量的溫度依然是輻射溫度、亮溫度和色溫度。

利用傳統輻射測溫方法進行溫度測量時，通常會面臨以下三個問題：

(1)發射率對測量結果的影響。被測目標的發射率會隨著材料的不同產生很大的變化，并且通常情況下不易獲得。在工業現場應用中，目標發射率還會隨著粗糙度、氧化程度以及受污染程度等的不同而產生變化，會對測量結果產生很大的影響。

(2)環境輻射對測量結果的影響。環境輻射的影響問題長期以來都被忽視，對此的專門研究較少。當周圍環境溫度較高或者目標表面反射率較高時這一問題便會凸現出來。例如，對被置于高溫爐內的樣品或者對汽輪機渦輪葉片進行測量時，環境輻射的影響便不能被忽略。

(3)光路中氣體對輻射能量的吸收問題。光路中氣體介質會對光譜中某些特定波段進行吸收，當吸收波段與探測波段重疊時，會對測量結果產生影響。

針對以上問題前人已經進行了大量研究，為了減少發射率影響，相關學者多年來研究了許多方法，例如發射率修正法、逼近黑體法、測量反射率法、偏振光法、反射信息法[2]等等。但這些方法在實際應用中都存在著各自局限性，均不能從根本上消除發射率的影響。因此，如何消以上各因素的影響，在惡劣環境條件下實現溫度值的長期高準確度測量，對于軍事科研以及實際應用都具有十分重要的意義。

3 激光吸收法輻射測溫技術研究現狀

3.1 德國PTB的研究方法[4]

激光吸收法輻射測溫技術最早在上世紀60年代就由德國的De Witt和Kunz等人進行了研究。該方法的測溫思想是：將兩束不同波段的激光分時的照射到待測樣品表面，調整兩束激光的功率值，使得樣品表面產生相同的溫升。這樣亮度的非線性、被加熱點的能量損失和輻射隨溫度的變化都不必考慮。測量兩束激光的功率比就得到樣品表面在兩波長下的吸收率比。依據Kirchhoff定律，兩波長下物體吸收率之比便是兩波長下物體發射率之比。關閉激光后，采用與比色測溫相同的方法，將發射率之比的測量數據代入到比色測溫公式中便可得到樣品真實溫度。

實驗中采用波長分別為520.8nm和647.1nm的激光器對目標表面進行照射，在目標表面引起微小溫升；采用中心波長為745nm的探測器進行探測。調整兩激光的功率比使得兩激光引起的目標表面溫升相等。當關閉激光后，物體表面在兩激光波長下的輻射比被輻射測溫儀測量，代入發射率比就可由比色高溫計公式計算出物體真溫。實驗采用鎢燈管作為被測樣品，將樣品加熱到1415K進行測量，測量所得發射率比與查詢文獻值所得發射率比偏差在0.5%以內。該方法從原理上消除了發射率所帶來的影響，但并未消除環境輻射所帶來的影響。

3.2 法國國家科學研究院的研究方法[5,6]

自上世紀90年代開始，法國國家科學研究院的Thierry Loarer和Jean-Jacques Greffet等人進行了大量關于激光吸收輻射測溫法的研究。研究人員分別對調制激光以及脈沖激光兩種加熱方式進行了研究。該方法的測溫思想是：采用單束周期調制過的激光束照射樣品表面，在樣品表面引起周期性變化的微小溫升，采用兩臺不同波段的探測器進行探測，利用鎖相放大器將周期性的溫升信號與非周期性的環境輻射信號分離，再將兩信號相比即可消除溫升項從而測得溫度。

該實驗中采用304L合金鋼作為加熱樣品，將樣品置于加熱爐中。將加熱爐溫度設置為1000K，此時，樣品溫度由熱電偶測得為780K左右。在此條件下周圍環境輻射將不能被忽略。實驗中假設樣品表面為灰體(ελ1=ελ2)，測得溫度偏差在20K以內，經發射率校正后溫度偏差在10K內。結果表明，在環境輻射與樣品本身輻射處于同一量級并且遠高于激光輻射的情況下，不存在系統誤差，表明系統消除了周圍環境對測量結果所造成的影響，但此方法并未消除發射率的影響。

3.3 英國NPL的實驗方法[7～9]

進入21世紀后，以G J Edwards和 A P Levick為首的研究團隊，在前人的基礎上對激光吸收輻射測溫技術做了進一步研究并提出了激光免發射率測溫技術(Laser Emissivity Free Thermometry，LEFT)，這一技術在英國NPL首先得到了研究且前景廣闊。裝置整體結構如圖1所示。

圖1 LEFT裝置整體結構圖Fig.1 Overall structure diagram of LEFT device

該方法在前人研究基礎上，對測量方法進行了改進，采用兩束不同波段的周期性激光對目標表面進行照射。當利用波長為λ1的激光束對樣品進行照射時，利用波長為λ2的光電探測器進行探測；同理，當利用波長為λ2的激光束對樣品進行照射時，采用波長為λ1的光電探測器進行探測。將兩探測信號相比就可以消除發射率項，從而得到目標表面真溫。

實驗樣品為一塊氧化鐵合金，樣品被放置在一個470℃～970℃的加熱爐內，裝置在大于630℃時的測溫偏差不高于3℃。該方法在原理上消除了發射率以及環境輻射的影響。

此外，NPL還將此套設備拓展為 “Multi-LART”，應用于測量其它熱物性參數，例如熱擴散率、導熱系數、光譜發射率等。“Multi-LART”裝置對于滿足工業復雜現場需求方面具備很大的潛力。

4 激光吸收法輻射測溫技術原理

將一束調制過的，波長為λ0且隨時間周期性變化的激光照射到樣品表面上，將會在目標表面引起周期性變化的溫升，其示意圖如圖2所示。

圖2 實驗示意圖Fig.2 Experimental schematic diagram

假設激光束光強符合高斯分布，則激光束在樣品表面產生局部的、隨時間周期性變化的溫升ΔT(t)。

采用光電探測器對樣品表面熱輻射進行探測，采用鎖相放大器對探測器所測得信號進行相敏檢波處理，將信號中直流項與交流項分離，僅保留探測信號的一階項。此時信號值可表示為

(1)

為了消去ΔT1(t)項，在兩個波長下進行測量，探測波長分別為λ1和λ2，然后將兩探測信號相比

(2)

將式中的黑體普朗克函數由維恩近似公式代替并將式中常量由系數K代替可得

(3)

式中:K——事先標定所得系數，由上式便可計算得到物體溫度。

5 目前研究進展情況

目前國內相關領域并沒有可供參考的研究內容。根據實際需求情況，北京航天計量測試技術研究所提出一套技術方案，對激光吸收法輻射測溫技術進行驗證。

5.1 實驗光路設計

實驗裝置對單激光和雙激光兩種模式進行驗證。裝置主要由激光器、光電探測器、光路系統、鎖相放大器以及數據采集系統等構成。裝置示意圖如圖3所示。

圖3 裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the device

單激光模式光路與雙激光模式光路類似，在本文實驗中共用一套光路系統，采用更換濾光片的方式實現不同波長下信號值的探測，單激光模式中只需開啟一套所需波段的激光即可。

實驗測溫流程為：首先將樣品置于樣品加熱裝置內達到所需溫度，樣品加熱裝置由專用PID控溫器進行準確控溫；采用機械斬波器對激光進行周期調制；調制后的激光經反射鏡片反射后照射到樣品表面，在樣品表面產生與調制信號同頻的周期性溫升信號；樣品表面溫升信號經聚光透鏡匯聚；匯聚后的熱輻射信號經窄帶濾光片濾光后被光電探測器測得；探測器輸出信號與斬波器調制參考信號經鎖相放大器進行相敏檢波處理，其輸出信號由數據采集系統進行采集并處理。

實驗中采用OE1022型鎖相放大器，其動態儲備可達到100dB以上，即表示系統能容忍的噪聲可以比有用信號高出105倍，可滿足實驗需求；激光器采用980nm和1550nm兩個波段，激光采用光纖耦合，其輸出口尾部有1m長尾纖，其末端準直器可在焦距40cm處匯聚為直徑小于4mm的激光光斑；光電探測器采用thorlab公司的PDA20C可調增益銦鎵砷(InGaAs)阻抗光電放大器。

5.2 實驗結果及數據處理

由前文測溫模型推導部分可知，在進行溫度測量之前需要得到標定系數K。標定實驗樣品采用表面涂黑不銹鋼樣品，置于實驗室內樣品加熱裝置中進行加熱，樣品加熱裝置可實現室溫～800℃內溫度調節。樣品溫度由埋藏在樣品中的K型熱電偶測得。

單激光和雙激光兩種模式的標定實驗條件設置如表1所示。

表1 標定實驗條件設置

兩種模式下標定實驗所得系數K值分別為0.821和0.2508，將測得的系數值用于后續測溫實驗。

由于樣品在較低溫度下輻射能量較小，并且實驗中由于樣品加熱裝置的限制實驗溫度只能達到800℃左右，因此在本文中只針對發射率較高的兩種樣品，即發射率大于0.95的表面涂黑處理樣品和發射率大于0.85的重度氧化處理樣品進行測溫實驗。

兩種模式針對兩種樣品各溫度點下測溫偏差值如圖4，圖5所示。

圖4 單激光模式兩種樣品測溫偏差分布圖Fig.4 Two kinds of sample temperature deviation map in single laser mode

圖5 雙激光模式兩種樣品測溫偏差分布圖Fig.5 Two kinds of sample temperature deviation map in double laser mode

由實驗結果可以看出，在目前裝置條件下，兩種模式中對于表面涂黑處理樣品，當溫度達到500℃以上的情況下，測量偏差平均值均可維持在5℃以內。但更換樣品后，即樣品發射率發生變化后，在低溫段對測溫性能影響較大，隨溫度升高，測溫偏差逐漸變小，證明裝置在高溫段具有更好的測溫性能。對目前裝置存在的主要問題及其原因總結有以下幾點：

(1)前期為驗證實驗原理，裝置結構簡單，后續可采用光學套筒等將光路封閉起來，從而消除周圍環境輻射影響；

(2)樣品加熱裝置波動性較大，受環境影響明顯；實驗點間間隔溫區較大，測試溫區窄，測試點較少，導致軟件擬合精度變差；

(3)濾光片不能達到理想濾光狀態，樣品表面反射回的激光進入到探測光路內造成誤差；

(4)兩波長下分時測量，兩次測量的溫度偏差對測量結果產生影響。

后續可對實驗裝置進行進一步優化，并進行多次重復實驗，對裝置進一步優化；并探索將裝置推向實用的可能。

6 結束語

在本文中對激光吸收輻射測溫法的測溫原理以及研究現狀進行了總結。激光吸收輻射測溫技術的核心是利用兩束經調制的不同波長的激光對被測目標進行激勵，在目標表面產生一響應——微小周期溫升，通過測量這一微小溫升進而測得物體真實溫度。激光吸收輻射測溫法突破了不破壞溫場是輻射測溫優勢的傳統思想，在保留輻射測溫優勢的基礎上，消除了發射率、環境輻射等因素的影響，在應對復雜惡劣的工業環境方面具有十分廣闊的應用前景。但在目前階段，受激光源的影響，該方法還不能用于低溫領域測量，但隨著廉價固體激光器的發展，這一技術將會有更廣闊的發展空間。