双波段比色测温技术及实验测试

李云红，王瑞华，李禹萱

(1．西安工程大学电子信息学院，陕西西安710048;2．西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安710071)

1 引言

温度是反映物质本身固有特性的重要参数，几乎所有的科研和生产过程都和温度息息相关。由于温度的多种表现形式以及被测对象的复杂性和多样性，使得温度测量既是目前的研究热点，也是研究难点。温度测量方法主要有接触测温和非接触测温法两大类，非接触测温又称为辐射测温。在应用中，最早发展的是接触测温，这种方法是采用热平衡的物理原理，不仅响应速度慢、使用寿命短，而且会破坏被测目标的温度场分布。随着科学技术的进步，对于温度测量的要求越来越高，尤其在产品的质量控制和提高经济效益方面，因而具有响应速度快、准确、便捷和使用寿命长等优势的辐射测温法得到广泛关注和长足的发展［1－2］。

现有的非接触测温方法主要有热像仪测温和比色测温，热像仪测温在现代国防、工农业、医学、科研等领域已经得到了广泛的应用。目前，美英法等主要发达国家在红外热像测温技术的研究和应用已经走在了世界前列，也为我们研究热像测温技术并做好了示范［3］。但是，热像仪测温技术很依赖于被测物的发射率，又容易受到大气透过率对测温的影响，一般都需要对测量结果进行修正才可得到真实温度［4－5］。后来，便有了比色测温技术，其不但克服了要知道被测物发射率的缺点，且能在一定程度上消除外界对测温系统的干扰，如烟雾、雾气等［6－9］。常用的比色测温法是选定单一的波长，但比色测温系统中的滤光片是存在一定带宽的，也就是说，单一的波长代替带宽来计算物体真温必然存在误差。而且，目前比色测温法主要应用于高温测量，对中低温物体的测量还没有成熟的技术［10－13］。

针对以上问题，提出了双波段比色测温的新方法，搭建了双波段温度测试平台，对中低温物体进行非接触测量，这为中低温物体温度的精确测量奠定了理论基础和技术基础。

2 双波段比色测温的原理

非接触测温即辐射测温的基本原理是基于黑体辐射的普朗克(Plank)定理。比色测温是通过测量两个不同波长λ1，λ2的辐射亮度L(λ)之比来确定被测目标温度T，也称为双色测温。一般选定两个红外波长和一定带宽下，收集两个相近波段内的辐射能量，将它们转化为电信号后再进行计算和比较，进而由比值确定被测目标的温度。所以，其特点是可以消除测量路径上的大气、烟雾、灰尘等因素带来的干扰。但是，由于信号收集时是两个窄波段(Δλ1，Δλ2)而不是单波长 λ1，λ2的值，所以在信号能量较小时，测量结果的误差较大，且窄波段的宽度也将直接影响测量精度。

双波段比色测温是要测量被测目标在两个波段上的辐射积分，然后由其比值来确定被测目标的辐射温度。

设黑体辐射出射度M0(λ，T)，那么温度为T、发射率为ε(λ)的目标在红外探测器上的光谱辐射照度为:

式中，D和f'分别为光学系统的通光口径和焦距;τa(λ)和τ0(λ)分别为大气和光学系统的光谱透过率。那么，在 Δλi∈［λmin，λmax］波段，探测器输出的信号电平为:

其中，RV(λ)为探测器光谱响应;A为探测器单元的面积。

在双波段测温时，通常假设被测目标为灰体，即ε(λ)=ε0(常数)，又因为本实验的测试距离有限，即大气透过率τa(λ)可忽略，那么双波段信号的比值定义为:

从式(3)可知，只要准确测出不同波段内探测器接收到的目标辐射的电压值U1(T)和U2(T)，测量并拟合出探测器在不同波段内的光谱响应率RV(λ)函数，各波段内光谱透过率函数 τa(λ)和τ0(λ)，代入式(4)即可得到目标辐射源的一组温度值T。本课题对光路系统的积分波段有三组，即可得到三组，对多组温度值T做平均可更准确地得到目标辐射源的温度:

3 双波段比色测温的实验

3．1 实验平台

如图1所示，波段比色测温装置主要由被测物、聚光光学系统、斩波器、滤光光学系统、探测器、信号分析系统组成。系统测温原理:被测物的辐射光经过光学系统的斩波器和滤光后聚焦于探测器上，然后经过信号处理系统输出电压值。本课题选用三组滤光片(中心波长分别为 8645 nm，10700 nm，14100 nm)，对测量的电压值两两相除求比值Z(T)，代入式(4)可得多组温度值T，再将T代入式(5)，可准确求出被测物体的真实温度。

图1 双波段比色测温系统原理图Fig．1 block diagram of dualwaveband colorimetric temperaturemeasurement

3．2 实验系统的标定

3．2．1 探测器相对光谱响应率

在测量电压时，如果是理想型探测器，其光谱响应率为1，然而实验中都是非理想的探测器，所以必须知道非理想探测器的光谱响应率。本课题搭建的实验平台选用的是液氮制冷型碲镉汞探测器，其相对光谱响应率数据来源于英国国家物理实验室(NPL)，如图2所示。

图2 液氮制冷型碲镉汞探测器相对响应率Fig．2 the liquid nitrogen refrigeration HgCdTe detector relative response rate

3．2．2 滤光片与探测器的匹配相对响应率函数

本课题选用的滤光片分别为:①中心波长8645 nm，带宽550 nm;②中心波长10700 nm，带宽480 nm;③中心波长14100 nm，带宽480 nm。对滤光片进行匹配拟合时，均选取置信因子为0．95。那么可得各个滤光片的匹配相对响应率数据如下:

(1)中心波长8645 nm滤光片

表1 中心波长8645 nm滤光片与探测器匹配曲线拟合数据Tab．1 the center wavelength of 8645 nm filter and detectormatching curve fitting data

表1的拟合函数为:

其中，拟合参数为:p1=0．007333，p2= － 0．03426，p3=0．2552。

(2)中心波长10700 nm滤光片

表2 中心波长10700 nm滤光片与探测器匹配曲线拟合数据Tab．2 the center wavelength of 10700 nm filter and detectormatching curve fitting data

表2的拟合函数为:

其中，拟合参数为:p1= － 0．1212，p2=5．025，p3=－77．97，p4=536．8，p5= －1383。

(3)中心波长14100 nm滤光片

表3 中心波长14100 nm滤光片与探测器匹配曲线拟合数据Tab．3 the center wavelength of 14100 nm filter and detectormatching curve fitting data

表3的拟合函数为:

其中，拟合参数为:p1= － 0．2012，p2=8．504，p3=－120，p4=565．8。

3．2．3 滤光片透过率函数

用光谱光度计对三组滤光片测量透过率，将所得数据进行拟合，其置信因子为0．95，可得:

(1)中心波长8645 nm滤光片的透过率

图3 中心波长8645 nm滤光片透过率拟合曲线Fig．3 the center wavelength of8645 nm filter transmittance curve fitting

图3的拟合函数为:

其中，拟合参数为:a1=69．8，b1=1178，c1=19．66，a2=4．276，b2=1169，c2=41，a3=72．61，b3=1148，c3=22．5，a4=43．62，b4=1127，c4=13．77。

(2)中心波长10700 nm滤光片的透过率

图4 中心波长10700 nm滤光片透过率拟合曲线Fig．4 the center wavelength of10700 nm filter transmittance curve fitting

其中，拟合参数为:a1=40．21，b1=957．8，c1=13．23，a2=23．28，b2=916，c2=9．789，a3=71．66，b3=932．2，c3=25．54。

(3)中心波长14100nm滤光片的透过率

图5 中心波长14100 nm滤光片的透过率拟合曲线Fig．5 the center wavelength of14100 nm filter transmittance curve fitting

图5的拟合函数为:

其中，拟合参数为:a1=6．888，b1=714，c1=5．987，a2=25．85，b2=717．5，c2=19．76，a3=19．45，b3=725，c3=10．86，a4=34．58，b4=700．5，c4=15．27，a5=7．82，b5=736．1，c5=5．681。

4 双波段测温系统的实验分析

本实验选用美国SBIR公司研制的面源黑体对50～400℃范围进行测量，既可完成对被测目标的温度测量，又能进行温度误差的分析。设定每隔10℃进行测量，计算出比值并代入式(4)，可计算温度T，再根据式(5)得到更为精确的被测目标的温度。实验结果如图6所示。

图6 双波段测温系统的实验结果Fig．6 the experimental results of dual waveband colorimetric temperaturemeasurement

由图6可知，搭建的双波段比色测温系统测量中低温物体的理论是正确、可行的。但是，该实验测量的温度误差仍然较大，经分析，主要原因为信号处理的算法不够精确，实验中锁相放大器的精度有限，以及外界环境对光路的影响。所以，应该改善数据算法，提高锁相放大器的精度，采取措施屏蔽外界的影响。如此，双波段测温系统的测温精确度将会大幅度提高。

5 结论

根据现在工业发展对温度测量的要求，即便捷、真温、高精确度以及对温度测量范围的延伸，提出了双波段比色测温的实验方法，并介绍了该系统的结构和工作原理。然后用面源黑体对实验系统进行验证和校准。最后，根据实验结果提出该实验系统的改进方法，以便后面更精确的温度测量。实验结果证明:双波段比色测温法对中低温物体的真实温度能够进行较为精确的测量，误差基本在5℃以内。该实验系统基本满足用双波段比色测温法对中低温物体进行精确温度测量的要求。

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