基于光電探測(cè)的多光譜測(cè)溫裝置

張 磊，陳紹武，趙海川，王 平，武俊杰

(西北核技術(shù)研究所 激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710024)

1 引 言

輻射法測(cè)溫技術(shù)因擁有非接觸式測(cè)量的優(yōu)勢(shì),一直以來(lái)深受人們的關(guān)注,尤其在爆炸場(chǎng)測(cè)溫領(lǐng)域,一直是廣大學(xué)者研究探索的熱門領(lǐng)域[1-3]。爆炸場(chǎng)溫度測(cè)量過(guò)程中,由于被測(cè)目標(biāo)場(chǎng)的溫度通常高達(dá)數(shù)千度,而爆炸反應(yīng)歷程非常短,需要測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)速度達(dá)到納秒乃至微秒量級(jí)。同時(shí),有些場(chǎng)合需要滿足遠(yuǎn)距離傳輸、抗震動(dòng)、抗電磁干擾等要求,傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方法難以適用,輻射法測(cè)溫體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。目前,國(guó)內(nèi)外已有的輻射場(chǎng)非接觸式溫度測(cè)量方法主要包括比色測(cè)溫法[4]、6波長(zhǎng)測(cè)溫法[5]、 8波長(zhǎng)高溫計(jì)[6]和光譜測(cè)量法等以及由以上方法衍生出來(lái)的相關(guān)方法。

本文基于多光譜測(cè)溫理論,利用光電探測(cè)技術(shù)響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì),研制了響應(yīng)時(shí)間為百納秒的多光譜測(cè)溫裝置。實(shí)現(xiàn)了高溫輻射源的高溫測(cè)量,為爆炸場(chǎng)溫度測(cè)量提供了設(shè)計(jì)思路和技術(shù)支持。

2 多光譜輻射測(cè)溫理論

絕對(duì)黑體的輻射強(qiáng)度是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù),輻射強(qiáng)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(zhǎng),T為工作溫度,C1和C2分別為第一輻射常數(shù)和第二輻射常數(shù)。通過(guò)測(cè)量某波段的輻射功率可以間接得到輻射場(chǎng)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(zhǎng)的關(guān)系Fig.1 Relationship between the emissivity of spectral power density and wavelength at different temperature

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

(2)

輻射溫度為3 000 K以下時(shí),可將輻射測(cè)溫的普朗克公式(2)近似為維恩公式(3),使問(wèn)題的討論和計(jì)算得到簡(jiǎn)化。

(3)

對(duì)公式(3)兩邊取對(duì)數(shù),可以得到：

lnE(λ,T)+5lnλ+C2/λT-lnC1=

lnε(λ,T) ,

(4)

其中,lnE(λ,T)是測(cè)量值,C1是常數(shù),預(yù)設(shè)波長(zhǎng)λ也是已知的,因此可以設(shè)A的表達(dá)式如下：

A=lnE(λ,T)+5lnλ-lnC1.

(5)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)溫度低于3 000 K時(shí),可假設(shè)光譜發(fā)射率的對(duì)數(shù)與波長(zhǎng)具有以下關(guān)系：

lnε(λ,T)=a0+a1λ+a2λ2+…+amλm,

(6)

由式(4)～式(6)得到:

a2λ3+…+amλm+1.

(7)

測(cè)量時(shí)，取n個(gè)波長(zhǎng)處的光譜強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量,即可得到n個(gè)方程。方程組有解的必要條件是n≥m+2,求出m+2個(gè)系數(shù),便可擬合出動(dòng)態(tài)溫度。

3 基于光電探測(cè)的多光譜測(cè)溫裝置

3.1 輻射測(cè)溫裝置

多光譜輻射測(cè)溫裝置主要由準(zhǔn)直透鏡、傳輸光纖、分光單元、探測(cè)陣列[10-11]、數(shù)據(jù)采集單元及電腦終端組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)溫裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure schematic of temperature measuring device

系統(tǒng)工作過(guò)程中,準(zhǔn)直透鏡對(duì)準(zhǔn)待測(cè)區(qū)域,待測(cè)溫度場(chǎng)的輻射光信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)前端的準(zhǔn)直透鏡耦合進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng),經(jīng)光纖傳輸后進(jìn)入分光單元,分光單元在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行波長(zhǎng)選擇,將其分成多路光信號(hào),之后進(jìn)入多元線性探測(cè)陣列,不同波長(zhǎng)的光信號(hào)經(jīng)過(guò)探測(cè)陣列轉(zhuǎn)換成電信號(hào),輸出的電信號(hào)被高速數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行采集處理。根據(jù)探測(cè)陣列的響應(yīng)率計(jì)算得到每一路入射光的輻射強(qiáng)度,通過(guò)多波長(zhǎng)點(diǎn)的輻射強(qiáng)度擬和得出待測(cè)區(qū)域的溫度。

3.2 分光單元及探測(cè)陣列

測(cè)量裝置的分光單元主要包括分光光柵與反射鏡組,結(jié)合所采用探測(cè)陣列的光譜響應(yīng)范圍,分光單元將入射信號(hào)光在300～800 nm波段均勻分成32路,選取每段的中心波長(zhǎng)作為測(cè)量波長(zhǎng)。通過(guò)反射鏡組的多次反射,進(jìn)行光束整形,最終形成平行光束后進(jìn)入后面的線性探測(cè)陣列。

探測(cè)陣列是由快速響應(yīng)的光電探測(cè)單元組成的32路線性陣列,每個(gè)探測(cè)單元分別對(duì)應(yīng)前面分光單元的一路輸出信號(hào)。為了滿足快速響應(yīng),探測(cè)單元響應(yīng)時(shí)間小于1 ns。由于輻射信號(hào)強(qiáng)度較弱,設(shè)計(jì)增益大于106。光信號(hào)經(jīng)探測(cè)陣列完成光電轉(zhuǎn)換后輸出32路電壓信號(hào)被數(shù)據(jù)采集模塊采集。

3.3 測(cè)量裝置標(biāo)定

光電探測(cè)陣列作為測(cè)量裝置的傳感器,每一路探測(cè)單元對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)響應(yīng)系數(shù)需通過(guò)標(biāo)定給出。該裝置研制過(guò)程中利用已知輸出光譜能量的鹵鎢燈光源對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行響應(yīng)系數(shù)標(biāo)定。鹵鎢燈輸出光譜曲線及實(shí)測(cè)的探測(cè)陣列光譜響應(yīng)系數(shù)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(cè)陣列光譜響應(yīng)Fig.4 Spectrum response of detection array

4 標(biāo)準(zhǔn)輻射源溫度測(cè)量

為了進(jìn)一步對(duì)測(cè)量裝置的溫度進(jìn)行修正,本文利用標(biāo)準(zhǔn)的高溫輻射源進(jìn)行了高溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中,分別設(shè)置不同的溫度點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,通過(guò)比對(duì)裝置的實(shí)際測(cè)量值與溫度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行校正,最終實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量。

表1 裝置實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)

利用測(cè)量裝置實(shí)測(cè)電壓信號(hào),推算出不同波長(zhǎng)的功率譜密度,進(jìn)而擬合得到所對(duì)應(yīng)的溫度曲線。典型的擬合曲線如圖5所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,需要對(duì)測(cè)量裝置的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行整體修正,利用測(cè)量結(jié)果與真實(shí)溫度的偏差對(duì)探測(cè)陣列的光譜響應(yīng)曲線進(jìn)行修正校準(zhǔn)。

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

修正后再用標(biāo)準(zhǔn)輻射源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得到不同溫度點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值如表2及圖6所示。

表2 裝置修正后實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)

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

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,測(cè)量裝置經(jīng)過(guò)修正后,對(duì)不同溫度的測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的測(cè)溫裝置利用具有快速響應(yīng)的光電探測(cè)單元作為傳感器，提高了響應(yīng)速度。采用陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加了波長(zhǎng)點(diǎn)數(shù)，提高了溫度擬合的精度。研制過(guò)程中利用鹵鎢燈作為標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行了響應(yīng)系數(shù)標(biāo)定,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)輻射源溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該裝置溫度測(cè)量的可靠性。測(cè)量裝置借鑒了以往光譜輻射理論經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了多通道快響應(yīng)測(cè)量方案,為爆轟場(chǎng)、沖擊波等瞬時(shí)溫度場(chǎng)的測(cè)量提供新的手段和技術(shù)。