基于双波段比能量法的非接触测温系统的研究

任宏宇，叶 林，范博龙，肖 汀

(华中科技大学，湖北武汉 430074)

0 引言

温度的测量分为接触式测温与非接触式测温。接触式测温的优点为测得的温度是物体的真实温度，缺点是对被测物体的温度场分布有影响[1]。非接触式测温具有测温范围宽、响应速度快、不破坏被测对象温度场等特点[2]，非接触式测温在高温测量中应用最为广泛，主要应用行业为冶金、铸造、热处理等工业生产过程中，在电力、建筑、森林防火等行业中也得到了广泛应用[3-4]。非接触式测温已经成为事故预防、产品质量控制和经济效益提高的重要手段。

常见的非接触式测温仪器从原理上分有亮度式测温仪和比色式测温仪[5]。亮度式测温仪是测出物体在某一波长上的辐射能量，从而获取被测物体的温度。其优点为抗干扰能力强，缺点为接受的辐射能量较小。比色式测温仪是测出物体在2个特定的狭窄波长段上的辐射能比值，从而获取被测物体的温度[6]。其优点是可以克服光路系统的某些干扰，适应能力强，仪表示值接近真实温度，但结构比较复杂，只能测量高温物体。

本文研究的非接触测温系统是基于红外双波段比能量的方法，如果选用工作波段长度适合的传感器，则能够比亮度式测温仪和比色式测温仪测量更低的物体温度。本非接触测温系统针对表面发射率稳定的材料的中高温(300～550 ℃)温度的精确测量，适用于某些只能使用非接触测温的场合，如测量高速旋转的涡轮盘温度的情况。其优点是无需已知被测物体的发射率，只需被测物体的表面发射率稳定(如已经被多次高温加热)，使用前先用与被测物体材料和氧化程度相同的物体进行标定，即可进行多次温度测量。

1 理论分析

1.1 红外双波段比能量法的理论研究

双波段比能量测温法是基于比色测温理论的延伸。比色测温法是通过测量2个相邻狭窄波段内辐射强度的比值来求取目标辐射源真实温度的方法，可显著减少由于发射率估计不准确带来的温度误差[7]。但由于比色测温法选取的是相邻狭窄波段，其辐射能量较小，不易被传感器测得[8]，故应用比色测温法的测温系统通常只用于测量高温物体。

双波段比能量测温法是测量目标在2个波段上的辐射积分，通过其比值来确定目标温度[9]。双波段比能量法的优点是即使被测物体表面温度较低，传感器仍然能够获得足够高的辐射信号。

首先假设2个红外传感器工作波段分别为λ11～λ12和λ21～λ22。其接受热辐射获得电信号分别为V1和V2，根据辐射传热学的基本定律，V1和V2可分别表示为[10-11]：

(1)

(2)

式中S12和S22分别为2个传感器的电学系数。

如果2个传感器采用信号放大倍数为常数，则其放大倍数的比值为常数，即

(3)

定义一个比例因子K，其为以上2个传感器接受辐射产生的电压信号的比值，则表达式为

(4)

然后，假设被测物体在2个波段内的平均发射率为常数，且比值为b，则式(4)可继续推演为式(5)。

(5)

此函数是T的单调函数，每个K值对应唯一的温度值，这样，只需在首次使用时，使用与被测目标相同材料的物体对测温系统进行一次标定，便可以实现非接触测温。

1.2 理想K因子曲线的理论研究

根据红外双波段比能量法的需求，选用了工作波段为0.9～1.65 μm(以下简称短波传感器)和5.5～14.5 μm(以下简称长波传感器)的2种红外辐射传感器。

设K因子为短波传感器测得能量E1与长波传感器测得能量E2的比值。由于探测器中2个传感器的位置近似相同，则根据普朗克定律可以推导出K因子的显函数，见式(6)[12-14]：

(6)

令

(7)

(8)

则

(9)

其中，

(10)

同理，W2的计算结果如下：

(11)

长波传感器的探测波长为5.5～14.5 μm，短波传感器的探测波长为0.9～1.65 μm，将数据带入式(9)、式(10)和式(11)中，即可计算得到温度与K因子的函数特性曲线(以下简称T-K曲线)。图1为计算得到的本探测系统的无任何放大倍数的理论的T-K曲线。

图1 本探测系统的理论T-K曲线

从图1可以看到，理论T-K曲线是一条单调函数曲线。每个温度点对应唯一的K因子值，且温度越高，K因子增量越大。

2 非接触测温系统的设计与开发

信号检测及处理电子系统的技术方案如图2所示(以下简称电子系统)。探测器中的长波传感器与短波传感器分别是对不同波长的热辐射敏感的传感器，能将热辐射信号转换为模拟信号；温度传感器用来检测传感器的工作环境温度，从而对传感器产生的信号响应进行温度漂移补偿。信号处理系统通过对上述传感器产生的模拟信号进行放大、滤波和转换，最终经数据处理系统进行分析、运算并打包，由通讯系统通过网线将数据传输给上位机。系统使用220 V交流电进行供电，并进行降压、稳压和降低纹波等步骤，产生系统所需的各直流电压。

图2 信号检测及处理电子系统技术方案

2.1 长波传感器信号处理系统电子电路

长波传感器是以热电堆为核心的红外辐射传感器，经过分析和研究，提出其信号检测前置放大器电子电路技术方案如图3所示。该传感器根据热辐射量的大小，可产生0～60 mV的电压量，前置放大电路应用仪表放大器，将信号放大至足够幅度。考虑信号上会叠加工频及其他高频的噪声，仪表放大器的输出端接入1个二阶的10 Hz巴特沃斯低通滤波器，以消除工频和高频噪声。

图3 长波传感器信号检测电子电路

2.2 短波传感器信号处理系统电子电路

短波传感器可以等效为红外光敏二极管，其接收热辐射后可以产生一定幅度的电流信号。因此，短波传感器前置放大器电子电路可按高性能电流放大器来考虑，然后进行电流和电压转化。

图4为短波传感器电子电路的设计。在电路最后输出级，可获得足够幅度的电压信号输入至A/D转换器并由电子系统的微计算机进行相关处理。考虑信号上会叠加工频及其他高频的噪声，仪表放大器的输出端接入1个二阶的10 Hz巴特沃斯低通滤波器，以消除工频和高频噪声。

图4 短波传感器信号检测电子电路

2.3 非接触测温系统

非接触测温系统的探测器及线路板照片如图5所示。探测器直径为15 mm，长度为150 mm。每个探测器内部均含有1个长波传感器与1个短波传感器。探测器使用风冷控制温度，探测窗口使用硒化锌玻璃片隔绝探测器与外部环境。

线路板由2部分组成，分别为信号调理线路板及数据处理线路板。信号调理线路板负责转换8个探测器共16个热辐射传感器的信号。数据处理系统负责对信号处理线路板传来的数据进行滤波采集，并将数据打包后上传到PC上位机端进行分析。数据处理线路板内置电源系统和通信系统。

(a)探测器实物图

3 非接触测温系统的试验与验证

3.1 面源黑体炉试验验证

为验证探测器的初步可行性，首先在发射率稳定的面源黑体炉上进行试验。

将非接触测温系统在面源黑体炉上进行标定，获得不同温度点的2个传感器的辐射信号，并将2个传感器测得的数据做比，测得数据见表1。

表1 非接触测温系统标定300～500 ℃的面源黑体炉的数据

由计算机软件根据表格1中的数据绘制得到T-K曲线，如图6所示。

图6 黑体炉的T-K曲线

根据表1的数据，拟合得到面源黑体炉在300～550 ℃的温度区间内，温度与K因子的关系式为

T=-0.715x4+9.89x3-51.367x2+142.06x+271.36

(12)

为验证黑体炉T-K曲线的准确性，使用非接触测温系统测量随机抽取黑体炉的几个温度点，并将测得的数据代入式(12)中，求得在该温度点下的非接触测温的预测温度及误差，其数据见表2。

表2 黑体炉T-K曲线验证试验的测量及计算数据

由表2数据可知，黑体炉T-K曲线拟合程度较好，预测温度与实际温度误差不超过5 ℃，测量精度符合预期要求，试验结果可以验证理论分析的正确性。

3.2 样板试验验证

使用非接触测温系统对多种样板进行试验验证，下面以黄铜样板的实验数据进行举例说明。

首先将一块黄铜样板进行多次加热氧化，使其表面发射率较为稳定。样板氧化前后照片如图7所示。

(a)加热氧化前

使用非接触测温系统对加热氧化后的黄铜样板进行标定，获得不同温度点的2个传感器的辐射信号，并将2个传感器测得的数据做比，标定结果见表3。

表3 非接触测温系统标定270～550 ℃的黄铜样板的数据

根据标定的结果，绘制出样板的T-K曲线如图8所示。

图8 黄铜样板的T-K曲线

根据表3的数据，拟合得到样板在270～550 ℃的温度区间内，温度与K因子的关系式为

y=320.47x0.160 1

(13)

为验证黄铜样板T-K曲线的准确性，使用非接触测温系统测量随机抽取的几个温度点，并将测得的数据代入式(13)中，求得在该温度点下的非接触测温的预测温度及误差，其数据见表4。

表4 黄铜样板T-K曲线验证试验的测量及计算数据

由表4数据可知，黄铜样板的T-K曲线较好，测温误差不超过10 ℃，测量精度符合预期要求。

4 结束语

本文介绍了红外双波段比能量法在非接触辐射测温方向的应用，并使用面源黑体和金属样板对非接触测温系统进行标定及测量。非接触测温系统选用工作波段为0.9～1.65 μm和5.5～14.5 μm的红外辐射传感器，反复进行了多次实验，搭建的实验系统均具有较好的稳定性。对非接触测温系统的测温精度进行了检验，温度偏差在10 ℃以内，达到了预期目的。该实验系统不需要输入目标发射率，解决了发射率不确定对非接触测温的影响，对中高温物体的温度测量研究具有重要意义。本系统由于短波传感器的波段相对较窄，在低于300 ℃的温度区间内，短波传感器信号较微弱，后续更换宽波段的传感器则能够使探测器测量更低的温度。