双波长高精度红外测温仪

陆文强,陈 靖,王 铮,徐 音,郑建亚,孙 骞,高立模,谭成章

(南开大学物理科学学院物理实验教学中心,天津300071)

双波长高精度红外测温仪

陆文强,陈 靖,王 铮,徐 音,郑建亚,孙 骞,高立模,谭成章

(南开大学物理科学学院物理实验教学中心,天津300071)

利用双波长红外测温方法,通过黑体红外辐射曲线中双波长等比吸收的原理消除了由于辐射环境中水蒸气等外界吸收原因造成的单波长红外测温仪中的测量误差,实现更稳定的高精度红外测温.该方法绕开了传统红外测温方法中“辐射率修正困难”的问题.同时利用此红外测温仪器改进了金属钨电子逸出功测量实验.

红外测温;双波长;辐射率修正

1 引 言

红外测温方法属于一种非接触式测温方法,该方法通过检测物体表面发射的能量来测量温度,具有测温范围广、响应速度快和不明显破坏测温场等特点,被广泛应用于工业各个方面,因此,红外测温仪的研制也层出不穷.红外测温方法是以黑体[1]辐射理论为基础的.黑体是个理想化的物理模型,而自然界中实际存在的物体(测温对象),其吸收能力及辐射能力都比黑体小,称为灰体.灰体的光谱辐射能量为:式中 E0(λ,T)为黑体发射的光谱辐射通量密度,单位为W·cm-2·μm-1;C1=3.74×10-12W·cm2,称为第一辐射常量;C2=1.44 cm·K,称为第二辐射常量;λ为光谱辐射时的波长,单位为μm;T为黑体的绝对温度,单位为K;ε(λ,T)为被测物体温度为 T、辐射波长为λ时的辐射率0＜ε(λ,T)≤1.

传统的红外测温仪,一律按黑体的热辐射定律来设计,即假设仪器接收到的热辐射与 E0(λ,T)成比例,但红外测温仪实际接收到的热辐射是与 E(λ,T)成比例的.因此,在使用红外测温仪时,必须求出被测物体的辐射率ε(λ,T)数值,即进行辐射率修正.遗憾的是,辐射率ε(λ,T)与被测对象的材料、表面状态、波长,温度以及辐射条件、环境因素等均有复杂的关系,因此,用户很难准确地确定ε(λ,T)的数值,这就是使用传统红外测温仪测温遇到的辐射率修正困难[2].

曹柏林[3]等人分析了传统红外测温仪的测温方法在理论上的缺陷,根据替代法原理,先用实验方法找出被测对象(某具体物体,不是黑体)的热辐射规律,再利用该规律来测温,避开了传统红外测温必须要提前获知各种物体的“辐射率修正函数ε(λ,T)”的问题,从实验数据总结中获得经验公式的各个参量,即定标,应用于现场温度监控或测温,实现了高精度红外测温的目的.在其新型红外测温仪中,利用了单波长窄带滤波红外测温新方法实现了高精度测量,并发现在东南大学潘人培教授的“金属(钨)电子逸出功的测定”实验中由于忽略了由板流引起的阴极灯丝温度下降(因为电子从阴极发射要克服逸出功),存在着大约-1.86%的系统相对误差[4].单波长窄带滤波红外测温方法存在着一个问题,就是对周围环境因素吸收,如水蒸气,有很高的依赖性,从而影响其测温的准确性.为了克服这个问题,本文中,在单波长窄带滤波红外测温仪的基础上设计了双波长滤波红外测温仪,利用黑体辐射曲线中相邻2个波长对应的能量等比吸收的原理,在保证红外测温高精度测量的基础上,克服了环境对物体发射红外线吸收造成的测量误差.

2 实验原理

在经典近似[5]情况下,C2/(λT)≫1,在红外测温仪的测温范围内满足此条件.Plank公式可近似简化为Wien公式

如果把波长λ取为定值(加窄带滤波片)λ0,则(2)式只与温度有关,可改写为

其中,A0=C1λ-5,B0=-C2/λ.显然,(3)式是Wein公式的一种特殊形式(λ=λ0),仍然只适用于黑体.但(3)式明显的指数函数形式启发我们,只要将(3)式中的 A0和 B0视为可变参量 A和B,就可以很自然地推广到灰体的情况,即灰体的光谱辐射能量为比较(1)式和(4)式可以看出,前者需要确定复杂的辐射率函数ε(λ,T)来实现从黑体到灰体的修正,后者则只需简单地改变A,B参量的值就可实现从黑体到灰体的修正.

在实际应用中,由于有水蒸气等环境因素对红外线的吸收,利用单波长红外测温时的单波长的红外吸收对测量结果有很大的影响.所以利用相邻两波长等比吸收的原理,取2个波长的吸收能量比作为温度的函数,环境中有水蒸气等因素的吸收造成的测量误差即可避免.

如图1所示,图中较粗的曲线代表了由于环境吸收造成的温度下降后单个波长的辐射曲线,而实际辐射物体的辐射曲线为1 000 K的辐射曲线.假如取2个相邻波长(实验中,取900 nm和950 nm),会发现其吸收的比值是不变的,利用这个等比吸收原理,设计了双波长红外测温仪,消除了由于外界水蒸气等吸收因素造成的测量误差,能更稳定地实现高精度测量.

图1 黑体的光谱辐射功率曲线

在(4)式中分别取λ1和λ2,则

(5)式与(6)式相比得

因此,只要利用实验数据拟合确定(7)式中A和B两个系数,即可得到温度与比值 X的关系.在实际测量中,则将(7)式看作温度 T关于 X的函数,用泰勒展开,采用数值逼近的方法达到所要求的设计精度.

令:T=f(X),展开得利用获得公式,即可测量或者监控不同条件下的辐射温度.

图2是双波长红外测温仪实验装置示意图,一定温度 T的被测对象发出红外辐射,通过半透半反镜后被分成2束光,分别通过λ1窄带滤波片和λ2窄带滤波片后被硅光电池接收生成光伏能量,信号被 I-V变换放大电路放大成V1和V2,通过除法器后得到比值 X.

图2 实验装置示意图

在测量温度前,首先对红外测温仪进行定标,即确定比值 X和温度 T的关系式中的系数.首先调节标准灯的不同电流可计算出不同电流下的一系列温度 T1,T2,T3,…,通过双波长红外测温仪测得对应的比值 X1,X2,X3,…,然后利用公式拟合得出相应系数.即得到此种环境下的该辐射体的红外辐射温度曲线公式.然后通过计算机程序设定好此系数下的计算公式,即可测量或者监测任何情况下的辐射温度.在实际测温过程中,利用指数形式的多项式展开,能更好地获得多项式的系数,从而在实际操作过程中实现更高精度的测量.

3 实验结果和讨论

图3是2个窄带滤波片的透射谱.从谱图中可以看出图3(b)具有很好的窄带红外透过性.

图3 窄带滤波片的透射谱

图4～5是定标确定双波长红外测温公式的多项式,为了更加精确,在实际测量中采用分段测量的方法.从拟合公式可以看出,温度和两路电压比值有很好的单调关系,其中相关性 R2=0.999 8,有很高的相似性.在此条件下,利用数据采集卡和自己编写的数据采集软件监测了实验室环境下不同标准灯的温度的变化,结果如图6～8.从图中可以看出设计的双波长红外测温仪具有很好的稳定性和精度.表1是测量结果以及标准偏差.表中 T标是根据电流计算得到的标准灯温度,T测为双波长测温仪测得的温度,表中数据为监测60 s的平均值,s为标准偏差.为了更好地验证双波长红外测温仪克服环境因素影响的实用性,对工业现场条件下的测量也是必要的工作.同时,对标准灯的测量结果说明开发的测温仪能作为“金属钨电子逸出功测量实验”标准灯温度的测量,能丰富其实验内容,让学生能够更多地接触红外测温和黑体辐射实验等理论和知识,为拓宽学生的知识面提供更好的机会.

图4 1 300～1 700 K温度段的定标曲线

图5 1 700～2 200 K温度段的定标曲线

图6 1858K标准灯温度监测数据

图7 1942K标准灯温度监测数据

图8 1989K标准灯温度监测数据

表1 不同温度标准灯的监测结果

4 结 论

利用黑体辐射曲线中相邻波长的等比吸收的原理,设计了双波长红外测温仪,提出利用现场定标的实验方法找出实际条件下被测对象 (某一具体物体,不是黑体)的热辐射规律,并给与校准,再利用该规律在原有条件下来进行温度监测或测温,即利用“替代法”校准了该实际条件下的许多隐含参量.该方法有效地克服了红外测温中各种物体的“辐射率修正”难题,克服了测量条件复杂,现场测量条件波动或者水蒸气等因素的环境吸收造成的测量误差,实现了高精度温度测量,通过初步的“金属钨电子逸出功测量实验”的标准灯温度测量的实验数据说明了双波长红外测温仪方案的可行性.

[1]瑞德尼克B N.量子力学史话[M].黄宏荃,彭灏,译.北京:科学出版社,1979.

[2]青山憨.辐射测量法与比辐射率(下)[J].红外,1996(7):29.

[3]曹柏林,李芮,杨鸿升.红外测温原理实验[J].物理实验,1998,18(5):9.

[4]曹柏林,顾骥城.金属电子逸出功和板流引起的阴极温降现象[J].天津理工学院学报,2001,17(3):11.

[5]尤峻汉.天体物理中的辐射机制[M].北京:科学出版社,1983.

[责任编辑:尹冬梅]

Research and development of a dual wavelength infrared thermoscope of high accuracy

LU Wen-qiang,CHEN Jing,WANG Zheng,XU Yin,ZHENG Jian-ya,SUN Qian,GAO Li-mo,TAN Cheng-zhang
(Physics Experimental Teaching Center,School of Physics,Nankai University,Tianjin 300071,China)

In this paper,stable and highly accurate temperature measurement was investigated using infrared thermoscope.Acco rding to the rule that the environment abso rp tion of dual w avelength was same in black body infrared absorp tion curve,a dual wavelength infrared thermoscope was designed to avoid the erro rs caused by radiant environment in single w avelength infrared thermoscope.The dual wavelength infrared thermosope avoided the“emissivity revising p roblem”w hich occurred in traditional inf rared thermoscope.Furthermore,the experiment of work function of tungsten filament was imp roved by using this dualwavelength infrared thermoscope,and enriched the experimental content.

infrared thermoscope;dual wavelength;emissivity revising

TN215

A

1005-4642(2011)01-0016-04

“第6届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2010-08-05

国家基础科学人才培养基金项目资助(南开大学物理学基地)(No.J0730315)

陆文强(1975-),男,河北安平人,南开大学物理科学学院副教授,博士,主要从事近代物理实验教学工作.