激光吸收法辐射测温技术研究

王阔传 张俊祺 张 奇

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

随着科学技术的发展，温度测量越来越受到重视，并且对测量准确度的要求也越来越高，随着科研军事及工业生产等领域的发展壮大，温度测量与控制的研究也得到了有力的推进。

目前，按照温度传感器的使用方法，测温方法可分为接触法和非接触法两种。接触测温法的优点为测得的温度是物体的真实温度，其缺点是动态特性差，由于要接触被测物体，故对被测物体的温场分布有影响，而且受传感器材料耐温上限的限制，不能应用于超高温测量等。非接触测温又称为辐射测温。辐射测温在理论上不存在测温上限，具有测温范围广、响应速度快、不破坏被测对象温场等特点。因此在实际应用中，辐射测温技术越来越受到重视[1]。

激光吸收辐射测温法(Laser absorption radiation thermometry, LART)，最早在上世纪60年代由德国PTB的De Witt和Kunz等人进行了研究。而后在90年代这个方法在英国和法国得到发展，之后又作为欧洲合作项目进行了进一步研究，其目的是在工业上解决真实温度测量问题[1]。激光吸收辐射测温法在辐射测温领域突破了不破坏温场是辐射测温优势的传统思想，通过主动破坏温场达到测量发射率比的目的，理论上可以完全消除发射率以及环境辐射等因素的影响，具有十分广阔的应用前景。

2 辐射测温技术发展中遇到的主要问题

在实际应用中由于绝大多数测温对象都是非黑体，将黑体辐射定律直接用于实际测温就会偏离真实温度。在目前的情况下，用辐射测温仪器直接读取物体真实温度还存在很多的困难，大多数的测温仪所测量的温度依然是辐射温度、亮温度和色温度。

利用传统辐射测温方法进行温度测量时，通常会面临以下三个问题：

(1)发射率对测量结果的影响。被测目标的发射率会随着材料的不同产生很大的变化，并且通常情况下不易获得。在工业现场应用中，目标发射率还会随着粗糙度、氧化程度以及受污染程度等的不同而产生变化，会对测量结果产生很大的影响。

(2)环境辐射对测量结果的影响。环境辐射的影响问题长期以来都被忽视，对此的专门研究较少。当周围环境温度较高或者目标表面反射率较高时这一问题便会凸现出来。例如，对被置于高温炉内的样品或者对汽轮机涡轮叶片进行测量时，环境辐射的影响便不能被忽略。

(3)光路中气体对辐射能量的吸收问题。光路中气体介质会对光谱中某些特定波段进行吸收，当吸收波段与探测波段重叠时，会对测量结果产生影响。

针对以上问题前人已经进行了大量研究，为了减少发射率影响，相关学者多年来研究了许多方法，例如发射率修正法、逼近黑体法、测量反射率法、偏振光法、反射信息法[2]等等。但这些方法在实际应用中都存在着各自局限性，均不能从根本上消除发射率的影响。因此，如何消以上各因素的影响，在恶劣环境条件下实现温度值的长期高准确度测量，对于军事科研以及实际应用都具有十分重要的意义。

3 激光吸收法辐射测温技术研究现状

3.1 德国PTB的研究方法[4]

激光吸收法辐射测温技术最早在上世纪60年代就由德国的De Witt和Kunz等人进行了研究。该方法的测温思想是：将两束不同波段的激光分时的照射到待测样品表面，调整两束激光的功率值，使得样品表面产生相同的温升。这样亮度的非线性、被加热点的能量损失和辐射随温度的变化都不必考虑。测量两束激光的功率比就得到样品表面在两波长下的吸收率比。依据Kirchhoff定律，两波长下物体吸收率之比便是两波长下物体发射率之比。关闭激光后，采用与比色测温相同的方法，将发射率之比的测量数据代入到比色测温公式中便可得到样品真实温度。

实验中采用波长分别为520.8nm和647.1nm的激光器对目标表面进行照射，在目标表面引起微小温升；采用中心波长为745nm的探测器进行探测。调整两激光的功率比使得两激光引起的目标表面温升相等。当关闭激光后，物体表面在两激光波长下的辐射比被辐射测温仪测量，代入发射率比就可由比色高温计公式计算出物体真温。实验采用钨灯管作为被测样品，将样品加热到1415K进行测量，测量所得发射率比与查询文献值所得发射率比偏差在0.5%以内。该方法从原理上消除了发射率所带来的影响，但并未消除环境辐射所带来的影响。

3.2 法国国家科学研究院的研究方法[5,6]

自上世纪90年代开始，法国国家科学研究院的Thierry Loarer和Jean-Jacques Greffet等人进行了大量关于激光吸收辐射测温法的研究。研究人员分别对调制激光以及脉冲激光两种加热方式进行了研究。该方法的测温思想是：采用单束周期调制过的激光束照射样品表面，在样品表面引起周期性变化的微小温升，采用两台不同波段的探测器进行探测，利用锁相放大器将周期性的温升信号与非周期性的环境辐射信号分离，再将两信号相比即可消除温升项从而测得温度。

该实验中采用304L合金钢作为加热样品，将样品置于加热炉中。将加热炉温度设置为1000K，此时，样品温度由热电偶测得为780K左右。在此条件下周围环境辐射将不能被忽略。实验中假设样品表面为灰体(ελ1=ελ2)，测得温度偏差在20K以内，经发射率校正后温度偏差在10K内。结果表明，在环境辐射与样品本身辐射处于同一量级并且远高于激光辐射的情况下，不存在系统误差，表明系统消除了周围环境对测量结果所造成的影响，但此方法并未消除发射率的影响。

3.3 英国NPL的实验方法[7～9]

进入21世纪后，以G J Edwards和 A P Levick为首的研究团队，在前人的基础上对激光吸收辐射测温技术做了进一步研究并提出了激光免发射率测温技术(Laser Emissivity Free Thermometry，LEFT)，这一技术在英国NPL首先得到了研究且前景广阔。装置整体结构如图1所示。

图1 LEFT装置整体结构图Fig.1 Overall structure diagram of LEFT device

该方法在前人研究基础上，对测量方法进行了改进，采用两束不同波段的周期性激光对目标表面进行照射。当利用波长为λ1的激光束对样品进行照射时，利用波长为λ2的光电探测器进行探测；同理，当利用波长为λ2的激光束对样品进行照射时，采用波长为λ1的光电探测器进行探测。将两探测信号相比就可以消除发射率项，从而得到目标表面真温。

实验样品为一块氧化铁合金，样品被放置在一个470℃～970℃的加热炉内，装置在大于630℃时的测温偏差不高于3℃。该方法在原理上消除了发射率以及环境辐射的影响。

此外，NPL还将此套设备拓展为 “Multi-LART”，应用于测量其它热物性参数，例如热扩散率、导热系数、光谱发射率等。“Multi-LART”装置对于满足工业复杂现场需求方面具备很大的潜力。

4 激光吸收法辐射测温技术原理

将一束调制过的，波长为λ0且随时间周期性变化的激光照射到样品表面上，将会在目标表面引起周期性变化的温升，其示意图如图2所示。

图2 实验示意图Fig.2 Experimental schematic diagram

假设激光束光强符合高斯分布，则激光束在样品表面产生局部的、随时间周期性变化的温升ΔT(t)。

采用光电探测器对样品表面热辐射进行探测，采用锁相放大器对探测器所测得信号进行相敏检波处理，将信号中直流项与交流项分离，仅保留探测信号的一阶项。此时信号值可表示为

(1)

为了消去ΔT1(t)项，在两个波长下进行测量，探测波长分别为λ1和λ2，然后将两探测信号相比

(2)

将式中的黑体普朗克函数由维恩近似公式代替并将式中常量由系数K代替可得

(3)

式中:K——事先标定所得系数，由上式便可计算得到物体温度。

5 目前研究进展情况

目前国内相关领域并没有可供参考的研究内容。根据实际需求情况，北京航天计量测试技术研究所提出一套技术方案，对激光吸收法辐射测温技术进行验证。

5.1 实验光路设计

实验装置对单激光和双激光两种模式进行验证。装置主要由激光器、光电探测器、光路系统、锁相放大器以及数据采集系统等构成。装置示意图如图3所示。

图3 装置示意图Fig.3 Schematic diagram of the device

单激光模式光路与双激光模式光路类似，在本文实验中共用一套光路系统，采用更换滤光片的方式实现不同波长下信号值的探测，单激光模式中只需开启一套所需波段的激光即可。

实验测温流程为：首先将样品置于样品加热装置内达到所需温度，样品加热装置由专用PID控温器进行准确控温；采用机械斩波器对激光进行周期调制；调制后的激光经反射镜片反射后照射到样品表面，在样品表面产生与调制信号同频的周期性温升信号；样品表面温升信号经聚光透镜汇聚；汇聚后的热辐射信号经窄带滤光片滤光后被光电探测器测得；探测器输出信号与斩波器调制参考信号经锁相放大器进行相敏检波处理，其输出信号由数据采集系统进行采集并处理。

实验中采用OE1022型锁相放大器，其动态储备可达到100dB以上，即表示系统能容忍的噪声可以比有用信号高出105倍，可满足实验需求；激光器采用980nm和1550nm两个波段，激光采用光纤耦合，其输出口尾部有1m长尾纤，其末端准直器可在焦距40cm处汇聚为直径小于4mm的激光光斑；光电探测器采用thorlab公司的PDA20C可调增益铟镓砷(InGaAs)阻抗光电放大器。

5.2 实验结果及数据处理

由前文测温模型推导部分可知，在进行温度测量之前需要得到标定系数K。标定实验样品采用表面涂黑不锈钢样品，置于实验室内样品加热装置中进行加热，样品加热装置可实现室温～800℃内温度调节。样品温度由埋藏在样品中的K型热电偶测得。

单激光和双激光两种模式的标定实验条件设置如表1所示。

表1 标定实验条件设置

两种模式下标定实验所得系数K值分别为0.821和0.2508，将测得的系数值用于后续测温实验。

由于样品在较低温度下辐射能量较小，并且实验中由于样品加热装置的限制实验温度只能达到800℃左右，因此在本文中只针对发射率较高的两种样品，即发射率大于0.95的表面涂黑处理样品和发射率大于0.85的重度氧化处理样品进行测温实验。

两种模式针对两种样品各温度点下测温偏差值如图4，图5所示。

图4 单激光模式两种样品测温偏差分布图Fig.4 Two kinds of sample temperature deviation map in single laser mode

图5 双激光模式两种样品测温偏差分布图Fig.5 Two kinds of sample temperature deviation map in double laser mode

由实验结果可以看出，在目前装置条件下，两种模式中对于表面涂黑处理样品，当温度达到500℃以上的情况下，测量偏差平均值均可维持在5℃以内。但更换样品后，即样品发射率发生变化后，在低温段对测温性能影响较大，随温度升高，测温偏差逐渐变小，证明装置在高温段具有更好的测温性能。对目前装置存在的主要问题及其原因总结有以下几点：

(1)前期为验证实验原理，装置结构简单，后续可采用光学套筒等将光路封闭起来，从而消除周围环境辐射影响；

(2)样品加热装置波动性较大，受环境影响明显；实验点间间隔温区较大，测试温区窄，测试点较少，导致软件拟合精度变差；

(3)滤光片不能达到理想滤光状态，样品表面反射回的激光进入到探测光路内造成误差；

(4)两波长下分时测量，两次测量的温度偏差对测量结果产生影响。

后续可对实验装置进行进一步优化，并进行多次重复实验，对装置进一步优化；并探索将装置推向实用的可能。

6 结束语

在本文中对激光吸收辐射测温法的测温原理以及研究现状进行了总结。激光吸收辐射测温技术的核心是利用两束经调制的不同波长的激光对被测目标进行激励，在目标表面产生一响应——微小周期温升，通过测量这一微小温升进而测得物体真实温度。激光吸收辐射测温法突破了不破坏温场是辐射测温优势的传统思想，在保留辐射测温优势的基础上，消除了发射率、环境辐射等因素的影响，在应对复杂恶劣的工业环境方面具有十分广阔的应用前景。但在目前阶段，受激光源的影响，该方法还不能用于低温领域测量，但随着廉价固体激光器的发展，这一技术将会有更广阔的发展空间。