光纤型红外测温仪消除辐射率对测温结果影响的研究

2015-12-25郭卡曹春风

机械工程师 2015年1期

郭卡，曹春风

（大连交通大学，机械工程学院，辽宁大连116028）

0 引言

切削加工中，切削温度对加工质量、刀具寿命具有非常大的影响，快速准确地把握切削温度的状况对设定合理的切削条件、提高加工质量、延长刀具寿命具有重要意义。温度的测量方法很多，其中光纤式红外测温法是通过光纤接受物体的辐射光能量，通过光电探测器把红外光信号转化为电信号，再通过标定装置最终得出物体温度值的测温方法［1-2］。

一切物体都在不停地向周围空间发射着红外辐射能量。物体的温度越高，它辐射到周围空间的能量就越多，因此，可以通过对物体自身辐射能量的测量，准确地测量它的表面温度，这就是红外辐射测温法所依据的客观基础。

1 消除辐射率对测温的影响

1.1 辐射率与温度关系的理论推导

所有自然界物质都能吸收辐射，如果某个物质对辐射到它上面的能量能全部吸收，则称之为黑体。绝对黑体作为一个理想化的物理模型是不存在的。

黑体的辐射能与物体的温度满足斯蒂芬-玻尔兹曼公式：Jb（T）＝（λ，T）dλ＝σT4。式中：Jb（T）为全黑体辐射能量；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.670×10-8W/（m2·K4）。

根据斯蒂芬-玻尔兹曼公式可以看出，物体的辐射能与热力学温度的4次方成比例，因此，通过测量物体的辐射能量，可以得到该物体表面的温度。但在温度条件相同的情况下，物体的实际辐射率ε总是小于黑体的辐射率,即ε=J（T）/Jb（T），其中J（T）为一般物体的辐射能。所以J（T）=εJb（T），即J（T）=εσT4，物体的温度。

物体的辐射率ε是一个常数，它与波长、物体表面特征和物体表面粗糙度等因素有关，它随着物质的不同而不同，结构不同的同种物质其值也不同，只有黑体的ε=1，一般物质0＜ε＜1。因此，对于一个辐射温度计在测量具体物体温度时应该得到一个被测物体确定的辐射率ε，以纠正测得温度值的误差。在机械切削加工中，测量出工件材料和刀具材料的辐射率非常复杂，同时工件和刀具的氧化磨损也需要考虑，所以用测量得出辐射率来修正测量温度的方法几乎是不可能的。我们需要找到一种消除辐射率对测温结果影响的方法。

1.2 比值处理法消除辐射率的影响

本光纤红外测温仪中光纤接受的辐射信号要靠光电特测器（如图1所示）把辐射光信号转化成电信号。此光电特测器采用复层结构，即光电转换模块采用了InAs/InSb复层半导体结构的光电探测器。砷化铟InAs与碲化铟InSb都具有高的响应，可达到1μs。在测温范围内，砷化铟与碲化铟有其不同的敏感波段。砷化铟InAs与碲化铟InSb的光谱特性曲线如图2所示。

图1 InAs/InSb光电探测器

图2 复层构造光电探测器光谱特性图

在测温过程中，InAs和InSb两个光电变换元件的接受的辐射能Λ1、Λ2可以用下式表示：

式中：Jb（λ，T）为温度T时黑体的单色辐射能量，ε1（λ，T）、ε2（λ，T）为被测对象半球全辐射率；β1、β2为损失系数；F（λ）为光纤透过率函数；L（λ）为集光透镜透过率函数；D1（λ）、D2（λ）为各光电变换元件相对灵敏度；λ1～λ2、λ3～λ4为可测定的波长范围。

在上面公式中，单色温度计InAs和InSb的输出值分别考虑了辐射率ε1、ε2的影响。本研究中通过将式（1）、式（2）中两个光电变换元件接受的辐射能Λ1、Λ2做比的方法，得到单色温度计输出信号的比值Λ，如下式

在测温仪所测量的两个波段 λ1～λ2、λ3～λ4内，被测物的半球全辐射率值可以认为是相同的，因此可以约去其中的 ε1和 ε2，所以式（3）可以转化为式（4）。

因此，测温仪的测量结果并不受物体辐射率的影响。由式（4）可以计算测温仪的灵敏度曲线即比值-温度曲线。可是，在实际的实验中，由于求解正确的损失系数很困难，这里只是求解了相对灵敏度曲线。以下为本文中所研究的复层构造光纤红外测温仪的相对灵敏度曲线的求解方法。

由图2知，InAs、InSb两个光电变换元件可测量的波长范围分别为0.24～3.1μm，3.1～5.6μm。温度为 T、波长为λ时，温度计的相对灵敏度与以下因素有关：1）温度为T时的黑体辐射能量Jb（λ，T），可由普朗克定理求得。2）InAs光电变换元件与InSb光电变换元件的透过率函数D1（λ）、D2（λ），可由图2光电变换元件光谱特性曲线求得。3）红外光纤的透过率函数F（λ），可由光纤损耗曲线求得。4）氟化钙透镜的透过率函数L（λ），可由透镜透过率曲线求得。将这些所有的因素相乘后，在相应波段上积分就可以得到InAs光电变换元件与InSb光电变换元件的相对灵敏度曲线函数（如图5中实线）。每一种物体的辐射率ε不同，但是同一物体在相近波段内的辐射ε可以认为是相同的。在计算测温仪的相对灵敏度曲线（如图5中实线）时采用比值形式，可以将辐射率ε对温度值的影响过滤掉，巧妙地避开了这一国际性难题。

2 由标定装置获得测温仪电势-温度关系曲线

2.1 标定原理及标定装置

下面介绍的标定装置，从结构和原理上将测温过程中红外辐射率的影响降至最小。标定原理如图3所示，首先通过加热元件对试件进行加热，在加热试件的过程中选取不同时间节点使用红外测温仪和标准热电偶同时对试件进行测温，试件发出的红外线通过光纤被导入红外测温仪，被光电变换元件转变为电信号被示波记录仪接受并储存，与此同时，标准热电偶产生的电信号也被记录储存，由此可以建立红外测温仪输出的电信号和标准热电偶温度的对应关系，完成对测温仪的标定［3-4］。

标定系统的结构示意图如图4所示，由光纤、标定试件、发热体、滑动调压器、加热系统、0℃恒温器、镍铬-镍硅标准热电偶、电动式光纤夹持定位机构，多通道数字示波器等组成。加热试件时采用滑动调压器逐步提高输入电压控制试件的加热速度，确保温度缓慢升高，从而使热量能够平稳地传递给标定试件。保温包覆层由石棉土、耐火土等按一定比例配制而成，具有保温绝缘的作用，并且具有一定的强度［5-6］。

图3 标定原理

图4 标定装置系统结构示意图

2.2 测温仪电势-温度关系曲线的获得

本次实验采用的标定法是利用了用镍铬-镍硅标准热电偶和测温仪同时测量同一个加热件，由于镍铬-镍硅标准热电偶的电势-温度关系曲线是已知的，可以通过查《热电偶分度手册》得到。在这个过程中，由于标准热电偶与红外光纤同时同地对同一物体进行测量，因此，标准热电偶与复层构造光纤红外测温仪可认为处于相同温度。标准热电偶输出信号比对《热电偶分度手册》，便可获得电势值对应的温度值，将该温度值与红外测温仪所测得的数值相对应，即可标定出测温仪的温度-电压关系特性曲线［7-9］。

获得测温仪电势-温度关系曲线具体步骤为：

1）整理标准镍铬-镍硅热电偶的数据，绘制标准镍铬-镍硅热电偶电势差-时间关系曲线；

2）将数字示波仪记录的数据输入Origin软件，经过计算拟合后得到InAs电势值-时间关系曲线、InSb电势值-时间关系曲线、InAs/InSb比值-时间关系曲线；

3）查《热电偶分度手册》，标准镍铬-镍硅热电偶电势差与温度关系曲线。

由热电偶-红外快速标定法原理可知，在同一时刻，标准镍铬-镍硅热电偶电势差、InAs电势值、InSb电势值、InAs/InSb比值对应同一温度值。将步骤1）～步骤3）求得的5组曲线进行对比，就可以得到复层构造光纤红外测温仪的标定曲线。图5即为测温仪标定结果。