红外辐射测温系统设计及SSE的影响研究

张文琦，房落凤，田鹏飞，俞伦鹏，薛生虎

(1.中国计量学院，浙江杭州 310018,2.北京南奇星科技发展有限公司，北京 102600)



红外辐射测温系统设计及SSE的影响研究

张文琦1，房落凤1，田鹏飞1，俞伦鹏2，薛生虎1

(1.中国计量学院，浙江杭州 310018,2.北京南奇星科技发展有限公司，北京 102600)

SSE是影响辐射测温的一个重要因素，为了研究辐射测温光学系统在减小SSE影响上的作用，设计了工作波段为0.8～1.2 μm的近红外辐射温度计的实验光学系统；该系统结构的组成元件少，主要包括红外物镜和分光镜,因而便于实验过程变量的控制。同时在满足通光量的要求下，在光学系统的特殊位置，设计了3个不同尺寸的孔径光阑，以研究不同位置不同孔径下光学系统克服SSE影响的效果；通过实验结果分析，得出孔径光阑的位置和尺寸大小在克服SSE的影响时起着重要作用，在测试1 000 ℃时，将孔径光阑设置在探测器附近，测试温度的温度偏差减小了3 ℃。

辐射测温;光学系统;孔径光阑;背景辐射;辐射源尺寸效应

0 引言

在国防、军事、科学实验及工农业生产中,温度的测量和控制具有十分重要的作用;而在温度测量领域,主要包括两大类:接触测温与非接触测温;根据两种测温法的测温原理,非接触测温在许多方面都要优于接触测温,例如:测温范围广、不影响温场、可测量超高温物体等[1-2],特别是近二十年来,由于电子技术的飞速发展、半导体材料研究的进步及计算机技术的发展,辐射测温技术得到长足的进步和发展[3]。

然而辐射测温仍然面临着许多因素影响,SSE就是其中重要的一个,即用同一台辐射温度计去测量同一温度下的物体,当物体辐射源的尺寸改变时,辐射温度计的输出结果会不一样,这种效应称为辐射源尺寸效应(Size-of-Source Effect,简称SSE)[4]。它是辐射测温不确定度的一个重要来源,如水平较好的660 nm标准高温计在测量直径50 mm的黑体辐射源时,SSE会达到(1～2)×10-3[5],相当于测量1 000 ℃时误差为1～2 ℃,而一般工业用的辐射温度计则更大,温度误差甚至能达到几℃。SSE是辐射温度计光学元件和光学系统中灰尘引起的散射、透镜表面间的相互反射、光学系统的像差及衍射、周围环境中的杂散光等效应的综合结果[6],SSE是影响辐射测温法温标复现、传递、比对和测温的主要不确定度因素之一。

SSE的产生因素主要来自光学系统内部，许多专家学者为了消除SSE的影响，对光学系统进行了研究工作。德国物理技术研究院(PTB)研制的无透镜结构中低温辐射温度计,该结构主要以遮光光阑和限制光阑为主,在同有透镜的光学系统进行实验比对后,得出该无透镜结构装置在消除SSE的影响上表现出更好的性能[7-8]。美国标准技术研究院的H.W.Yoon对辐射测温的光学系统进行了研究,实验结果指出合适的Lyot光阑位置和尺寸可以减小SSE的影响[9]。

中国计量科学研究院的卢小丰、原遵东也研究了孔径光阑对辐射源尺寸效应的影响,提出孔径光阑在消除SSE时起到重要作用,并指出若将孔径光阑放在会聚透镜之后,其SSE值要小于其他位置[5]。另外,Robert[10]在抑制杂散辐射的问题和技术一文中也指出孔径光阑在系统中越是靠近探测器,对系统杂散光的抑制越是有利。赵泉钦[11]等将不同孔径的光阑置于黑体空腔腔口构成黑体辐射源的不同尺寸，在较低温度(10～200 ℃)条件下对红外温度计的SSE进行测量和实验。

不同的光学系统结构(特别是孔径光阑)在克服SSE的作用上也会存在很大差异。本文设计了一个用于研究SSE影响的结构简单的红外测温光学系统。通过物镜前加载遮光罩以及探测器前设置不同孔径的光阑,以期减小SSE的影响,满足辐射测温的精度要求。

1 红外辐射测温光学系统设计

1.1 光学系统结构

为了研究和验证光学系统的元件在克服SSE时表现出的不同作用,光学系统结构需要满足以下几点:首先,结构简单,组成元件要尽可能少;其次,便于机械固定结构的设计;最后,要满足人为控制变量的方便性。按照以上要求设计的光学系统原理图如图1所示。

图1 光学系统原理图

光学系统原理:目标源辐射的能量经过物镜的会聚作用进入系统内部;设置在物镜之后的孔径光阑(或者物镜镜框)限制进入系统内部的光束孔径的大小,即控制测温和目视光路的辐射立体角,限制着进入系统内部的辐射能量的多少;通过物镜进入系统内部的光路被分光镜分为2部分,被反射的部分为测温光路,在其像方焦平面处放置探测器,完成测温的任务;透过的部分为目视光路,在其像方焦平面处放置分划板和目镜,观察目标源的聚焦情况。

本文通过添加孔径光阑、遮光罩抑制杂散光;根据光学系统原理图、几何光学理论分析得出:进入光学系统内部的杂散光主要包括外部杂散光和内部杂散光,外部杂散光可以通过在物镜之前加一个消杂光光阑进行削弱;而对于系统内部因光学元件表面之间的散射造成的杂散光,需要通过内部孔径光阑进行抑制,如图1所示,孔径光阑放在位置1时,阻挡内部杂散光的作用要远远小于位置2,所以可以将孔径光阑设置在位置2(即靠近探测器)来验证消除杂散光的作用。

通过以上分析,该光学系统在满足辐射测温光学原理的条件下,光学元件少,结构简单,通过合理的机械结构设计可以满足光学元件安装和调节的方便性,并增加人为控制变量的主导作用。

1.2 光学系统结构参数

根据实验要求制定光学系统参数,本文设计的光学系统在田鹏飞[12]等的论文中已有详细计算,这里仅列出计算结果,光学系统元件的计算数据如表1所示,表中D1为物镜通光孔径、D2为分光镜通光孔径、D3为分划板直径、D4为目镜通光孔径、D5为出瞳直径。探测器的型号、参数如表2所示。

表1 光学系统结构参数

表2 探测器型号参数

1.3 光学元件

该光学系统的组成元件主要包括:红外物镜、分光镜等;其中作为系统最重要的组成元件红外物镜,选择的是爱特蒙#45-806型近红外镜头,该镜头通过镀膜技术使得工作波段为0.8～1.2 μm，通过率在95%以上,对非近红外波段的透过率则起到了有效衰减作用;另外该镜头的光学性能良好,校正后满足系统对光学性能(消除色差、球差、正弦差)的要求、分光镜选用爱特蒙型号为#47-609的产品,该分光镜的优点是不论入射光的角度为多少,其分光比保持固定不变(反射率70%),这样在很大程度上减少了光路调节的复杂性。

2 实验平台和性能测试

2.1 实验平台

组建的实验平台示意图如图2所示,该平台主要包括:标准黑体辐射源、红外辐射测温系统光学系统、数字万用表。其中,标准黑体辐射源选用HZ-2型标准中温黑体辐射源,工作温度为300～1 200 ℃,温度稳定性≤0.3 ℃/10 min,腔口发射率≥0.995，满足使用要求;数字万用表选用K2000,在测量直流电流时,其分辨率达到10 nA～10 mA,满足使用要求。

图2 实验装置简图

2.2 性能测试

2.2.1 消杂散光性能测试

将标准黑体辐射源的温度分别设置为500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃、900 ℃、1 000 ℃时,验证在光学系统位置2(如图1)处放置孔径光阑和不放置孔径光阑情况下,该系统装置消除周围环境杂散光的性能。实验测得的数据如表3所示。

表3 测试数据

通过分析测试的数据得出,将设置在探测器位置近处的孔径光阑拿掉,以物镜镜框作为孔径光阑时,有无遮光罩对测量结果影响很大,即周围环境杂散光对测量结果影响较大,500 ℃时,添加遮光罩可使输出电流减小0.009 μA,温度减小0.6 ℃;1 000 ℃时遮光罩可使输出电流减小23 μA,温度减小2.8 ℃而在探测器支架上安装了1.5 mm的孔径光阑后,有无遮光罩对测量结果影响很小,500 ℃时，有遮光罩可使输出电流减小0.01 μA,温度几乎无变化;1 000 ℃时，有遮光罩时输出电流为0.04 μA,温度小值约为0.2 ℃。

2.2.2 不同孔径光阑性能测试

为了研究孔径光阑不同位置、不同孔径情况下,该光学系统的性能,单独设计了位于特殊位置2处的3个不同孔径大小的孔径光阑,其孔径值分别为1 mm、1.5 mm、2 mm,并将黑体标准辐射源的温度设置为400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃、900 ℃、1 000 ℃等7个温度值进行了测试,其测试结果如表4～6所示。

表4 1 mm孔径测试数据

表5 1.5 mm孔径测试数据

表6 2 mm孔径测试数据

根据测试的数据可以得出的结论包括:

(1)在探测器支架上有无孔径光阑对测量结果影响很大,测试结果表明,装有孔径光阑的光学系统测得的数据受到周围环境杂散光的影响要小很多;

(2)在满足限制通光孔径理论孔径值的条件下,在消杂散光性能上,1 mm的孔径光阑优于1.5 mm的孔径光阑,而1.5 mm孔径光阑要优于2 mm孔径光阑;

(3)在400～700 ℃，添加孔径光阑后,再添加遮光罩，输出电流的仅能减小0.1～0.3 μA，温度减小值在0.2 ℃之内，而当800 ～1 000 ℃时,特别是1.5 mm和2 mm孔径的光阑测试的数据受杂散光影响要大的多,在孔径光阑的作用下,添加遮光罩使输出电流减小0.5 ～0.12 μA,温度最大减小量达到3 ℃。同时结合探测器的感光面积,在满足通光亮度的条件下,应该选用1 mm孔径光阑。

3 结论

通过设计一个结构简单实用的实验光学系统,来验证遮光罩、不同孔径的光阑在减少SSE影响上的不同作用。实验结果表明,光学系统中孔径光阑的位置和孔径的大小都会对测试结果产生较大影响。在光学系统内部的特殊位置2处(即图1中靠近探测器像面的位置),加孔径光阑会在很大程度上减少杂散光的影响,在测试1 000 ℃时,有无该孔径光阑,温度的变化量会达到3 ℃;另外,在测试800～1 000 ℃时1 mm的孔径光阑在抑制杂散光的性能上要好于1.5 mm和2 mm的孔径光阑,即在满足通光亮度和有效限制辐射立体角的条件下,选择较小的孔径光阑可以显著减小SSE的影响。

[1] 王文革.辐射测温技术综述.宇航计测技术，2005,25(4):21-24.

[2] 郑子伟.红外测温仪概述.计量与测试技术，2006,33(10):22-23.

[3] 戴景民.辐射测温的发展现状和展望.自动化技术与应用，2004,23(3):1-7．

[4] 段宇宁,原遵东,赵琪，等.辐射源尺寸效应研究.计量学报,1996,17(3):161-166.

[5] 卢小丰,原遵东.孔径光阑对辐射源尺寸效应(SSE)的影响研究.计量技术,2010(7):3-6.

[6] SAUNDERS P,FISCHER J,SADLI M，et al.Uncertainty budgets for calibration of fradiation thermometers below the silver point.Int J Thermophys,2008,29(3):1066-1083.

[7] SAKUMA F,MA L,KOBAYASHI T.Development of a new inGaAs radiation thermometer at NMIJ.Int J Thermophys,2008,29:312-321.

[8] SAKUMA F，MA L.Development of InGaAs radiation thermometer.SICE Annual Conference,2008,29:1614-1617.

[9] YOON H W，GIBSON C E，KHROMCHENKO V,et al.SEE and mnoise optimized InGaAs radiation thermometer.Int J Thermophys,2007,28:2076-2086.

[10] BREAYLT R B.Problems and techniques in stray radiation supprdssion.Proc SPIE,1977，107.

[11] 赵泉钦,李文军,孙坚，等.较低温度条件下SSE影响红外温度计校准的实验研究.计量学报,2012,33(6):1-4.

[12] 田鹏飞,薛生虎,俞伦鹏.红外辐射温度计的试验光学系统设计.中国计量学院学报，2013.24(3):312-316.

Design of Infrared Radiation Thermometry System and Research on Effects of SSE

ZHANG Wen-qi1,FANG Luo-feng1,TIAN Peng-fei1,YU Lun-peng2,XUE Sheng-hu1

(1.China Jiliang University,Hangzhou 310018,China,2.Beijing Nanqixing Sci-Tech Corp Ltd.,Beijing 102600,China)

SSE is a key factor affecting radiation temperature measurement.In order to study the role of an optical system in reducing the effects of SSE,an optical system of near infrared radiation thermometer operating at 0.8～1.2 μm wavelength band was designed.The componerts of the system were simple,mainly including the infrared objective lens and spectroscope,so that it was very convenient to control the experimental variables.To meet the requirements of light amount,three aperture diaphragms of different sizes were designed on the special position of the optical system to study the important effects of SSE.The experimental results show that the position and size of an aperture diaphragm play an important role in reducing the impact of SSE.At 1 000 ℃,when the aperture diaphragm was located near the detector,the temperature deviation will reduce 3 ℃.

radiation temperature measurement;optical system;aperture diaphragm;background radiation;SSE(Size of Source Effect)

2014-11-18 收修改稿日期：2014-11-28

TB942

A

1002-1841(2015)02-0071-03

张文琦(1988—),硕士研究生，研究方向为工业辐射测温。 E-mail cjlzhangwq@163.com