大型锻件锻造过程中温度在线测量系统

刘海澜 张玉存 付献斌

(1.中国第一重型机械股份公司，黑龙江161042；2.燕山大学，河北066004)

红外测温技术具有使用方便、快速、准确、非接触、无损测量等优点，在现代工业生产中发挥着重要作用[1]。广泛应用于工业测温的双波长红外测温仪受被测物体比辐射率的影响小，能排除中性介质(例如烟雾、灰尘等)对测温精度的影响，抗干扰性强[2，3]。张忠恒提出的双波长测温方法在数学推导基础上找出了避开“辐射率修正困难”的方法，弥补了红外测温仪准确度不高的缺陷，可以精确测出被测对象温度[3]。孙志远等提出测温前先使用标准黑体对测温系统进行标定，得到标定曲线R(T)-T。在测量目标的温度时，在目标附近放置一个超大面元黑体来消除环境反射辐射和大辐射等辐射量的影响，提高红外测温系统的精度[5]。赵玉刚等提出了通过改进比色测温的算法来减小测温误差[6]。施德恒设计的双波长高精度光纤测温仪通过分析仪器相对温度的分辨率和灵敏度对仪器工作波长与波长带宽进行了优化设计，提高测温精度[7]。还有应用于高温测量的多波长高温计，它是利用目标的多光谱辐射测量信息，经过数据处理得到目标真温和材料光谱发射率[8]。上述测温方法有些理论上确实能提高测温精度但缺乏实践，在一些特殊大型测温环境放置超大面元黑体是不实际的，而且由于被测对象本身状态的变化和周围复杂环境的干扰都直接影响双色信号的比值而产生温度误差。有些方法虽然能提高测温精度，但测温仪结构复杂，同时给计算和分析处理也增加了难度，实用性差。

本文基于红外双谱色测温原理提出了一种高精度的红外测温系统。该系统采用双通道结构通过宽带滤光片和三级干涉滤光器结合对接受的红外光谱进行滤波，得到两个单谱色光。该结构能够充分的抑制锻件周围背景光和环境光源辐射，提高信噪比，减小测温误差，更精确的得到锻件温度。

1 红外测温系统

整个系统分为四个模块：光学模块、测温模块、信息处理模块、显示模块。该红外测温系统的工作原理如图1所示。高温锻件表面辐射发出的红外波谱由光学模块的聚光镜收集，再经过散光镜将光束变成平行光。经宽带滤光片可透过包括预测波长的宽带光。宽带光到达分光片一部分透过分光片进入三级干涉滤光器a，得到中心波长为λ1的窄带光，再经过牛顿双反射镜和场镜将透射光收集到红外探测器1；另一部分宽带光由分光片反射经三级干涉滤光器b，得到中心波长为λ2的窄带光，最后收集到红外探测器2。然后将两个红外探测器探测到的不同波长的单谱色光信号转变成电信号，分别接到信号处理系统的第1通道和第2通道，第1通道的信号通过前置放大和主放电路将信号放大后接入数据采集卡的一个输入口，同样第2通道的信号通过前置放大和主放电路将信号放大后接入数据采集卡的另一个输入口。本系统选用NI的PCI-6071E数据采集卡，将采集到的数据信号通过PCI总线连接计算机，利用VB软件对信号进行实时分析处理，最终计算出锻件温度。

图1 红外测温工作原理图Figure 1 The functional diagram of infrared temperature measurement

2 系统测温原理

单级干涉滤光片如图2所示，由两个石英板构成，折射率为n，两板的内表面平行，并镀有高反射率膜层，组成一个具有高反射率表面的空气层平行平板，空气层间隙为h。对辐射的红外光谱具有干涉滤光的作用，可透过特定波长的光谱。三级干涉滤光器如图3所示，它由三个不同空气间隙的单级干涉滤光片组成。三个单级滤光片固定封装壳内，通过设定三个单级干涉滤光片的间隙，三个单级干涉滤光片有不同的透射光谱，相互叠加后最终透过一单谱色光，同时各滤光片按60°角放置，使其中的反射光偏离透射光的范围，以免干扰。该结构充分的抑制了物体周围背景光和环境光源的干扰，并保证了特定单色光的通过。

图2 单级干涉滤光片原理图Figure 2 The schematic diagram of single stage interference filter

图3 三级干涉滤光器Figure 3 Three-stage interference filter

总透射光为所有这些透射光的和，即

=Ad2(1+r2ei+b+r4ei+2b+

…+r2(p-1)ei+(p-1)b+…)

其中，R=r2，D=d2，R+D=1。

则透射光强度为：

即

其中，φ=4πnhcos60°λ。

则单级干涉滤光片的透过率为：

如果要求干涉滤光片的中心波长为λ0，即要使波长为λ0透射率最大，须让sin2φ/2最小，即：sin2φ/2=0，则得到φ=2mπ。将φ值代入φ=4πnhcos60°λ得：

ml0=2nhcos60°(m=1、2、3…)

式中，m为干涉级次。三级干涉滤光器由三个不同间隙的单级干涉滤光片组成，即三级干涉滤光器滤光作用是三个单级干涉滤光片叠加后的作用效果。那么三级干涉滤光器要同时满足三个单级干涉滤光片透过率公式，可透射三个单级滤光片相互叠加后的光谱，其他光谱将被滤掉。

要测量高温锻件的温度，测温系统要求两个通道分别透过波长为λ1和λ2的单色光，利用双谱色测温原理求出温度。所测高温锻件温度为700～1 500℃，所以选取近红外波谱范围的两个波长分别为2.125 μm和2.155 μm。本文选取宽带滤光片透光波段为2.065 μm ～2.265 μm，测温系统接受到锻件辐射的红外波谱经两个通道的滤光系统，滤出两个特定波长的单谱色光，分别由两个红外探测器接受并转换成电压信号，得到两单谱色光的辐射功率比 ，将其代入测温公式

即可得到锻件温度。又因为两波长非常接近，可认为ελ1≈ελ，三级干涉滤光器透过的特定光的半波宽度Δλ1、Δλ2非常窄，近似于单谱色光，故Δλ1、Δλ2可忽略。最终测温公式可简化为：

3 实验验证

为了验证本文开发的测温系统的实用性和精度值，对30CrMn2Mo钢小锻件进行了测温实验。

实验仪器：红外探测系统，测温范围是500～1 550℃；光电测温仪，测温范围是700～1 800℃，精度为0.01%；计算机。

红外测温系统为本文开发的基于三级干涉滤光器的大型锻件红外测温系统。该红外测温系统两个通道的滤光系统为宽带滤光片和三级干涉滤光器组成，透射波长分别为2.125 μm和2.155 μm。红外探测器采用DPbs3200红外探测器，可探测0.8 μm～3.2 μm波段的微弱红外辐射，光敏面尺寸6 mm×6 mm，峰值波长≥2.1 μm，时间常数≤400 μs，频率响应范围100 Hz ～1 000 Hz。

将光电测温仪的接触探头放在锻件表面，红外测温系统对准锻件并和计算机连接好，然后对从炉内取出的锻件进行实验测量。从中随机抽取了14组数据，测量数据如表2所示。

表1 实验数据Table 1 Experimental data

精度是反映仪表误差大小的术语，测温系统精度δ=(△max)/(Amax)×100%(△max为最大测量误差；Amax为仪表量程)。根据表2测温结果计算δ=1.6/800×100%=0.2%，证明红外测温系统的精度满足测温要求。

4 结论

本文提出的基于三级干涉滤波器的红外测温系统，利用宽带滤光片和三级干涉滤波器结合滤光充分的抑制了锻件周围背景光和环境光源的干扰，可降低因锻件周围环境升温引起的测温误差。同时双通道系统透过近似于单色光的窄带光谱，提高测温系统的精度。最后通过实验室测温实验，验证了本文开发的红外测温系统精度达到0.2%，满足了大型锻件在线测温精度要求。

[1] 郑忠，何腊梅.红外测温技术及在钢铁生产中的应用[J].工业加热，2005，34(3)：25-29.

[2] 陈衡著.红外物理学[M].北京：国防工业出版社，1985：31-48.

[3] 邢向华.非制冷红外热成像测温技术与系统研究[D].江苏：南京理工大学，2004.

[4] 张忠恒.双波长红外测温仪的研究[D].天津：天津理工大学，2007.

[5] 孙志远，李清安，乔彦峰，等.提高红外测温系统测温精度的研究[J].仪器仪表学报，2006，27(6)：67-69.

[6] 赵玉刚，杨帆，周维芳.基于比色测温的温度场测量技术研究[J].微计算机信息，2008，24(8)：298-299.

[7] 戴景民，杨茂华，褚载祥.多波长辐射测温仪及其应用[J].红外与毫米波学报，1995，14(6)：461-466.

[8] 王波，赵果荣.微控红外双色测温仪的应用[J].包钢科技，2005，31(1)：56-59.