非理想條件復合材料光譜發射率多光譜測溫優化方法研究*

杜岳濤

(西安工業大學電信學院，陜西西安 710061)

紅外光譜發射率是物體表面熱物理性質參數的熱輻射能力,其測量方法眾多,其中包括反射率法、熱量法、能量法及量熱法等,在對高溫材料進行測量時常用到光譜發射率輔助測量,即測量樣品輻射能量的紅外光譜以及材料的黑體光譜的發射率之比。當使用能量比較的方式時,被測樣品物體表面溫度的準確性將會對發射率的測量結果產生較大影響,很難做到精準的測量樣品表面溫度。當采用接觸法測量物體表面溫度時,由于輻射到樣品環境的熱量損失較大、樣品表面溫度與內部溫度相差較大、加熱基材溫度較大,在較高溫度環境下,較厚的樣品材料基于以上條件下導熱系數測量誤差較大,通常需要采取補救措施對其進行修訂。當采用非接觸輻射溫度測量方式時,基于樣品本身發射率會產生較大影響,通常需要裝備輔助發射率測量設備以校正測量出的輻射溫度。

1 非理想條件復合材料多光譜測溫概述

1.1 黑體輻射測溫理論

溫度高于絕對零度的任何物體都會持續向環境輻射電磁波。輻射傳熱作為一種非接觸式的傳熱模式,即使在真空中也可以完成傳熱任務,其依據輻射的電磁波以完成現冷熱目標之間的能量傳遞。從目標內部發出的電磁波理論程度上可以波及全部光譜范圍,但是在輻射溫度測量領域通常使用0.4～20μm的光譜范圍[1]。

1.2 普朗克輻射定律

黑體參考標準源是對象輻射的標準值,所有對象的輻射能全部小于等于黑體的輻射能。黑體輻射理論所參考的基本定律是普朗克輻射定律[2],其描述不同溫度環境下黑體光譜輻射的分布方式。

1.3 光譜發射率

發射率是描述材料表面的熱輻射能力的無量綱物理量,其定義是在相同溫度與環境條件下,材料表面的輻射亮度與黑體的輻射亮度之比。所有立體角方向和波長上的材料表面發射率的定義可分為四類,即定向光譜發射率、定向總發射率、半球光譜發射率以及半球總發射率。

2 非理想條件復合材料光譜發射率多光譜測溫方法研究

2.1 復合材料溫度測量方法分類

根據與溫度測量對象的接觸方式,溫度測量方法可以分為兩類:接觸溫度測量方法和非接觸溫度測量方法,具體分類如圖1 所示[3-4]。

圖1 溫度測量方法的分類Fig.1 Classification of temperature measurement methods

接觸溫度測量方法要求溫度感測原件與被測對象能夠直接接觸,其主要包含:壓力溫度測量、熱阻溫度測量、光纖溫度測量以及膨脹溫度測量。其中熱電阻溫度測量是目前使用最頻繁的溫度測量方式。熱電阻具備較寬泛的測量范圍,其能夠準確測量物體較小端的溫度。熱電阻主要是由熱電阻絲、電阻探頭、線路保護管、固定部件以及接線盒所組成。其基本原理為:兩個材料組成不同的導體形成一個閉環,當物體兩端出現溫度階梯時,將會有電流通過該環路,這時在導體之間形成熱電動勢,也就是塞貝克效應[5]。熱電阻的優勢是溫度測量廣泛、機械程度較高、抗壓性良好、能夠在極其惡劣環境中正常使用；然而其有一定缺點:必須選在設備內部進行安裝并在目標物體中打孔,最后需要用高溫膠進行固定,并且需要對其進行物理、化學保護。

非接觸式溫度測量基于目標的輻射特性,其包含聲學溫度測量方法、激光溫度測量方法、輻射溫度測量方法。依據理想氣體中聲速平方增加帶動氣體熱力學溫度上升的定律,聲溫測量方法通過測量兩個聲學傳感器之間聲波的傳播時間,進而計算沿傳播路徑的平均速度以及兩者之間的距離,然后依據所測溫度與速度之間的關系計算溫度[6]。激光溫度測量法是通過激光束在襯底板前后表面上反射光的干涉現象完成測量任務,基板的熱膨脹隨溫度的變化而產生,并且其厚度的變化導致干涉條紋發生運動,依據干涉條紋的移動位置和熱膨脹指數獲得基板的溫度。輻射溫度測量方法通過測量目標的光譜輻射來獲得目標物體表面溫度,根據溫度測量原理,可分為亮度溫度測量、比色溫度測量、全輻射溫度測量、光譜極端溫度測量、近似黑體法和多光譜溫度測量。其中,使用電荷耦合器件檢測帶內部熱輻射的溫度測量方法也稱為熱成像溫度測量,利用光纖比作傳輸媒介,將目標熱輻射傳輸到光譜系統稱為光輻射溫度測量。

2.2 多光譜測溫系統光路分光系統

(1)棱鏡分裂結構。通過棱鏡的色散功能,將復合光分解成為不同波長的單極色光,其具有能量損失低的優勢；而其劣勢便是色散速率受棱鏡數量、材料和頂尖的影響,并且分辨率會隨波長變化而產生幅動。短波的分辨率相對較大且清晰,而長波部分的分辨率較小且模糊,并且頻譜排列方式不均勻,光譜波長數量增加會導致棱鏡的數量也隨之增加[7]。該結構適合在波長數少的情況下使用,目前多光譜測溫系統大部分還是利用棱鏡分裂結構。

(2)過濾器分裂結構。濾光器對特定頻帶中的光進行選擇性吸收用于所需輻射頻帶中的光學器件,以獲得具有特定帶寬的單極光色。它具有設計簡便、光通范圍廣泛、安裝與調控方便等優勢特征；但其劣勢便是頻帶分辨率低且模糊,因此有必要依據需求為每種單極光色設計針對性的濾光波片。當需要的帶寬較大時,濾光波片的數量隨之增多,從而增加儀器的總體體積,以上情況適用于波長較小的情況。

(3)光柵分裂結構。運用多狹縫干涉和單狹縫衍射的綜合原理,使長度各異的波長混合光通過光柵后,各波長產生的主干干涉最大值以不同角度發射,同一光柵光譜中不同波長的光譜線按照波長順序排列,最后組成系列的離散光譜線[8]。光柵是光譜系統的主要組成部分,具有較高分辨率、均勻的光譜排列方式和大量產生的波段等特點；其劣勢是將會產生多級別光譜,存在一定程度的光能損耗,為有效減少光能零級損耗,可以利用閃耀光柵以增加光能利用率。

2.3 非理想條件復合材料多光譜測溫方法

獲得目標對象發射率或者發射率模型是進行多光譜測量溫度方法的研究關鍵。獲得準確發射率的方法有三種,詳細解析如下:查閱文獻,依據所測量溫度的材料類型在某些溫度點和波長下獲得該材料的發射率；發射率的理論算法,依據電磁輻射相關理論,僅在確定材料類型、已知摻雜比、光學常數檢查和表面粗糙度等條件下才能計算目標發射率；依據材料種類和以往經驗設定材料發射率模型[9]。材料類型的數量非常多,特別是基于復合材料科學的飛速發展,數量增長速度極為驚人,在上述依據材料種類選擇或設定發射率方法在實行中比較困難,得到的發射率受到材料成分和表面狀態的影響而不準確。為優化上述現象,大部分研究人員在學習基礎上研究多光譜溫度測量方法,但是所使用的波長數量較少,并且不能準確描述目標物體發射率特征優勢。在這類方法中,使用不同的發射率模型以完成亮溫度樣本材料數據,并且從亮溫度樣本中獲知真實溫度與目標溫度之間的非線性映射關系,而無法識別目標樣本的發射率模型。對于經過訓練后的樣本,能夠獲得良好的溫度計算數據；而對于未經過訓練后的樣本,其在使用范疇中將會受到一定限制。

2.4 復合材料光譜識別測溫方法

光譜識別的多光譜測溫(MSTSR)包括對象光譜判別、基于波極長度優化的多光譜溫度感測模型,其基本原理構造如圖2 所示。對象光譜判別方法主要研究對象光譜的輻射性能,建立每種光譜相對應的發射率模型,研究對象光譜的特征辨別方式以及分類判別方法,并最終完成對象光譜的判別[10]。建立基于波極長度優化的多光譜溫度測量模型,通過確定的對象光譜類型選擇對應的發射率模型進行被測對象真實溫度的測量。

圖2 基于多光譜識別的多光譜測溫方法原理圖Fig.2 Schematic diagram of multispectral temperature measurement method based on multispectral recognition

3 結語

(1)在測量復合材料的紅外光譜發射率中,多光譜優化的溫度測量方法能夠有效增強被測樣品表面溫度的精確性。

(2)通過利用最優的計算頻帶,利用冗余數據的穩妥解決方式,并將計算中假定的光譜發射率模型與實際測量得到的數值進行比對和迭代,能夠進一步提升測量數據的真實性。

(3)基于多光譜測溫優化的光譜發射率測量方法,進而能夠有效避免接觸測溫方式所產生的數差誤值,其應用于測量導熱系數較差材料的高溫度光譜發射率。