適用于輻射廣譜測溫的快速標定系統設計

摘 要 為滿足高量程輻射測溫裝置的快速和低成本標定，構建了一種以鎢絲燈燈絲為輻射光源的寬譜輻射系統。系統基于對鎢絲燈燈絲電阻值的在線測量以及燈絲電阻值和溫度之間的關系實現輻射源溫度的實時監測，并通過PID補償電路控制直流穩壓電源實現輻射源溫度的調節與控制；采用雙凸透鏡變束原理的光學設計實現了系統輸出光束的光增強和勻化設計，使得系統的光輻射度可達到黑體爐同溫度的2/3，可滿足高溫區間的標定要求。經過高溫黑體爐的校準，系統可實現1 000～3 200 K溫度區間的標定，實驗驗證標定精度在5%以內。

關鍵詞 比色測溫 標定試驗 鎢絲燈 瞬態高溫 爆炸場

中圖分類號 TH811.1" "文獻標志碼 A" "文章編號 10003932（2025）02026405

隨著現代工業技術的發展，精確的溫度測量在眾多領域變得至關重要，尤其是在高溫環境下［1］。傳統的溫度測量方法，如接觸式測溫，往往受限于測量精度和環境適應性。因此，開發一種非接觸式、高精度的測溫技術對于提高工業過程控制的效率和安全性具有重要意義。基于普朗克輻射定律的比色測溫法是非接觸式測溫的一種，又稱為雙色測溫，該方法通過測量物體在兩個特定波長下的輻射亮度，并計算這兩個亮度的比值，從而間接推斷出物體的溫度?；诒壬珳y溫技術的測溫設備主要應用于測量火球內部的溫度，是研究燃料空氣彈藥（FAE）爆炸過程和毀傷效能不可缺少的手段［2，3］。

對于新的測溫系統，都需要先經過標定之后才能投入實際測量使用，因此設計一個快速標定系統必不可少［4～6］?，F有技術中，對于測溫設備的標定通常依賴于黑體爐進行，但是這種方法成本高昂。測量火球內部的溫度分布時，需要布署大量測溫設備，黑體爐在快速標定方面存在局限，無法對這些設備進行快速標定，并且長時間使用會顯著縮短黑體爐的使用壽命。在以往的研究中，一些學者［7，8］曾采用鎢絲燈作為輻射源對測溫設備進行標定，同樣適用于本研究對標定的一系列要求。但由于結構光的存在可能會在一定程度上扭曲溫度讀數，筆者在他們研究的基礎上考慮了結構光對標定過程的潛在影響，從而可以準確反映被測物體的真實溫度。

在本研究中，筆者設計并開發了一種創新的標定系統，該系統采用鎢絲燈作為核心輻射源。為了顯著提升其輻射效能，本研究在系統中集成了高反射率材料，并引入了先進的擴束系統。在輻射源與待標定設備之間，筆者精心設置了勻化擴束系統，包括磨砂玻璃散射片和擴束鏡，以確保光線的均勻分布和精確測量。筆者進一步探索了輻射源電阻與其溫度之間的定量關系，并且成功驗證了這一關系在實際應用中的準確性和可靠性。為了實現對系統溫度的精確控制，本研究還采用了PID（ProportionalIntegralDerivative）補償電路。

1 系統結構與分析

1.1 系統結構

標定系統結構如圖1所示。整體系統由標定裝置和被標定裝置組成。其中標定裝置由直流穩壓電源、輻射源、光勻化、擴束系統、xyz三維可調安裝平臺、熱輻射源溫度的測量與控制電路、計算機組成。xyz三維可調安裝平臺可以在x、y、z3個方向進行隨意調節，相比于普通平臺更有助于調節被標定設備對準輻射源。

標定流程為：將xyz三維可調安裝平臺與標定裝置固定到特定位置，被標定裝置固定在安裝平臺上，由220 V交流電源提供初始電壓，標定裝置輸出特定溫度的均勻光，被標定裝置接收光后轉換為電壓，解算溫度，完成標定。

1.2 系統指標

本研究旨在開發一種創新的高溫輻射源系統，以提供一種高效且精確的標定方法，專門用于比色測溫設備。標定過程的核心在于確立雙波段輻射功率比與溫度之間的定量關系［9］。

被標定裝置最高可測量約3 000 ℃的溫度，并且該裝置基于比色測溫原理設計有雙進光孔，測溫時需要兩個進光孔同時測量，采集同一溫度下兩個波段的輻射功率。傳統的輻射測溫設備往往使用黑體爐進行標定，故筆者設計的系統需在光強、光穩定性及光均勻性等方面與黑體爐無較大偏差，以滿足與黑體爐一致的標定效果。

筆者設計的輻射源需要發射1 000～3 200 K的光譜輻射，還需確保同溫度下輻射源輸出的光為勻化光，并且輻射功率可以達到黑體爐輸出功率的2/3，從而為比色測溫設備提供一個穩定可靠的參考標準。

1.3 系統特性

系統的設計基于普朗克黑體輻射理論。使用傳統的黑體爐標定時，黑體爐可以精確地控制溫度，并且黑體爐輸出光的輻射功率可以近似達到爆炸場的功率。因此新的輻射源也應滿足以上兩點，才可對測溫設備進行標定。

筆者選擇鎢絲燈作為輻射源對測溫設備進行標定。鎢絲燈作為輻射源有如下特性：由于鎢絲燈燈絲無規則，所以發出的光為結構光；鎢絲溫度最高可達3 400 K，發光功率相比于黑體爐較小；且其溫度隨燈絲電阻變化，可以建立輻射源溫度T與電阻值R（T）之間關系的函數模型用于解算溫度。

2 系統設計

2.1 輻射源TR（T）函數模型

2.2 光源輻射功率的增強與光的勻化

基于系統對輻射強度的要求，在輻射源出光孔另一側進行鍍膜，使輻射源的各路光信號可以反射到溫度探測器方向，以提高光源的效率。引入了一套由焦距分別為70 mm和20 mm凸透鏡組成的擴束系統，以放大光信號并增強其輻射功率。

光學研究中，光的勻化經常使用準直勻化轉化器、工程漫射體及磨砂玻璃散射片等方法，基于鎢絲燈和實驗系統的特性，在輻射源后方增設了一組磨砂玻璃散射片，以調整光線的分布，對發出的結構光進行勻化。勻化、擴束系統如圖2所示。

2.3 熱輻射源溫度的測量與控制

為了實現數據的實時監控和處理，筆者采用MATLAB軟件開發了一個上位機界面。該界面不僅能夠實時顯示測量得到的輻射源電阻值，而且與推導出的TR（T）函數關系相結合，能夠自動計算并顯示鎢絲燈燈絲的準確溫度。此外，該界面還可以手動輸入溫度，并通過PID補償電路實時對溫度進行控制，使溫度固定在標定需要的值。為了實現在線輻射源電阻測量與輻射源溫度控制，設計并實現了一個電阻測量電路。

向放大器之后被雙通道ADC采集。將采集到的數據傳輸到計算機進行數據處理，得到輻射源電阻值與溫度值；通過與輸入的目標溫度進行比較，將得到的溫差信號作為誤差信號輸入PID補償電路，輸出控制信號，通過PID補償電路控制直流電源電壓，反饋調整當前溫度并最終確保溫度的穩定以達到控制溫度的目的。

3 設計性能測試及結果

3.1 光輻射功率與勻化性能測試

為了對系統光輻射功率與勻化性能進行測試，使用標準測溫設備分別測量1 500～2 500 K時940 nm波段測溫設備的電流輸出，測量結果如圖4所示。

測量結果表明，增強后的輻射功率可以達到黑體爐輻射功率的2/3，經過勻化擴束系統后，其在光斑區域內的強度和分布呈現出高度一致性，光斑中心與邊緣之間的輻射強度差異被嚴格控制在3.5%以內。此外，在810 nm和940 nm兩個波長附近，勻化擴束系統展現出了優異的透過性能，保持了高透過率，從而保證了實驗結果的精確性和可重復性。這一結果已經足夠滿足實驗中對輻射功率的具體要求。

3.2 輻射源TR（T）函數模型

選取了8組不同溫度下的鎢絲燈燈絲數據（圖5），對其在940 nm與810 nm波段的數據與對應的比值進行了詳細記錄。利用這些溫度和電阻值的數據對進行擬合，建立溫度TR（T）函數模型。

3.3 輻射源反演驗證

為驗證擬合曲線的準確性，對不同溫度的輻射源進行溫度反演。具體流程如下：改變直流穩壓電源的輸出電流，讓鎢絲燈的溫度與標定實驗中的6組溫度均不同，在室內無光照條件下記錄下此時的鎢絲燈實際溫度，用標定實驗獲得的鎢絲燈的TR（T）函數計算出的溫度與標準探測器探測到的新數據計算出的溫度進行比較，可以得到標定系統的標定精度，結果如圖6所示。

通過溫度反演過程的驗證，表明比色測溫系統經過鎢絲燈標定后已經具備實用性，并且可以將精度控制在5%以內。

4 結論與展望

針對特定的比色測溫系統設計了一套創新的標定系統，進行了標定實驗。采集了溫度在1 000～3 200 K范圍內探測器的雙通道電壓值與相應燈絲電阻值的數據，成功建立了鎢絲燈溫度T與電阻值R（T）之間的函數關系。通過對實驗結果的擬合曲線進行分析，發現二者呈線性關系，和溫度與光譜輻射亮度之比的理論公式相一致。

用標定實驗得到的映射函數關系式對不同溫度的鎢絲燈進行了反演驗證，將鎢絲燈的計算溫度和實際溫度相對比，得到比色測溫系統的計算誤差不超過5%。這一結果不僅驗證了標定系統的準確性，而且為其在實際應用中的進一步推廣提供了堅實的理論和實驗支撐。

本系統不僅能夠高效地完成對測溫設備的精確標定，其應用潛力還遠不止于此。未來，它將有望拓展至對測溫設備性能的一致性測試，并在檢測設備潛在問題方面發揮關鍵作用。這種多功能性不僅增強了系統的實用性，也為其在更廣泛的應用場景中的推廣奠定了堅實的基礎。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2024-08-15，修回日期：2025-03-09）