非理想条件复合材料光谱发射率多光谱测温优化方法研究*

杜岳涛

(西安工业大学电信学院，陕西西安 710061)

红外光谱发射率是物体表面热物理性质参数的热辐射能力,其测量方法众多,其中包括反射率法、热量法、能量法及量热法等,在对高温材料进行测量时常用到光谱发射率辅助测量,即测量样品辐射能量的红外光谱以及材料的黑体光谱的发射率之比。当使用能量比较的方式时,被测样品物体表面温度的准确性将会对发射率的测量结果产生较大影响,很难做到精准的测量样品表面温度。当采用接触法测量物体表面温度时,由于辐射到样品环境的热量损失较大、样品表面温度与内部温度相差较大、加热基材温度较大,在较高温度环境下,较厚的样品材料基于以上条件下导热系数测量误差较大,通常需要采取补救措施对其进行修订。当采用非接触辐射温度测量方式时,基于样品本身发射率会产生较大影响,通常需要装备辅助发射率测量设备以校正测量出的辐射温度。

1 非理想条件复合材料多光谱测温概述

1.1 黑体辐射测温理论

温度高于绝对零度的任何物体都会持续向环境辐射电磁波。辐射传热作为一种非接触式的传热模式,即使在真空中也可以完成传热任务,其依据辐射的电磁波以完成现冷热目标之间的能量传递。从目标内部发出的电磁波理论程度上可以波及全部光谱范围,但是在辐射温度测量领域通常使用0.4～20μm的光谱范围[1]。

1.2 普朗克辐射定律

黑体参考标准源是对象辐射的标准值,所有对象的辐射能全部小于等于黑体的辐射能。黑体辐射理论所参考的基本定律是普朗克辐射定律[2],其描述不同温度环境下黑体光谱辐射的分布方式。

1.3 光谱发射率

发射率是描述材料表面的热辐射能力的无量纲物理量,其定义是在相同温度与环境条件下,材料表面的辐射亮度与黑体的辐射亮度之比。所有立体角方向和波长上的材料表面发射率的定义可分为四类,即定向光谱发射率、定向总发射率、半球光谱发射率以及半球总发射率。

2 非理想条件复合材料光谱发射率多光谱测温方法研究

2.1 复合材料温度测量方法分类

根据与温度测量对象的接触方式,温度测量方法可以分为两类:接触温度测量方法和非接触温度测量方法,具体分类如图1 所示[3-4]。

图1 温度测量方法的分类Fig.1 Classification of temperature measurement methods

接触温度测量方法要求温度感测原件与被测对象能够直接接触,其主要包含:压力温度测量、热阻温度测量、光纤温度测量以及膨胀温度测量。其中热电阻温度测量是目前使用最频繁的温度测量方式。热电阻具备较宽泛的测量范围,其能够准确测量物体较小端的温度。热电阻主要是由热电阻丝、电阻探头、线路保护管、固定部件以及接线盒所组成。其基本原理为:两个材料组成不同的导体形成一个闭环,当物体两端出现温度阶梯时,将会有电流通过该环路,这时在导体之间形成热电动势,也就是塞贝克效应[5]。热电阻的优势是温度测量广泛、机械程度较高、抗压性良好、能够在极其恶劣环境中正常使用；然而其有一定缺点:必须选在设备内部进行安装并在目标物体中打孔,最后需要用高温胶进行固定,并且需要对其进行物理、化学保护。

非接触式温度测量基于目标的辐射特性,其包含声学温度测量方法、激光温度测量方法、辐射温度测量方法。依据理想气体中声速平方增加带动气体热力学温度上升的定律,声温测量方法通过测量两个声学传感器之间声波的传播时间,进而计算沿传播路径的平均速度以及两者之间的距离,然后依据所测温度与速度之间的关系计算温度[6]。激光温度测量法是通过激光束在衬底板前后表面上反射光的干涉现象完成测量任务,基板的热膨胀随温度的变化而产生,并且其厚度的变化导致干涉条纹发生运动,依据干涉条纹的移动位置和热膨胀指数获得基板的温度。辐射温度测量方法通过测量目标的光谱辐射来获得目标物体表面温度,根据温度测量原理,可分为亮度温度测量、比色温度测量、全辐射温度测量、光谱极端温度测量、近似黑体法和多光谱温度测量。其中,使用电荷耦合器件检测带内部热辐射的温度测量方法也称为热成像温度测量,利用光纤比作传输媒介,将目标热辐射传输到光谱系统称为光辐射温度测量。

2.2 多光谱测温系统光路分光系统

(1)棱镜分裂结构。通过棱镜的色散功能,将复合光分解成为不同波长的单极色光,其具有能量损失低的优势；而其劣势便是色散速率受棱镜数量、材料和顶尖的影响,并且分辨率会随波长变化而产生幅动。短波的分辨率相对较大且清晰,而长波部分的分辨率较小且模糊,并且频谱排列方式不均匀,光谱波长数量增加会导致棱镜的数量也随之增加[7]。该结构适合在波长数少的情况下使用,目前多光谱测温系统大部分还是利用棱镜分裂结构。

(2)过滤器分裂结构。滤光器对特定频带中的光进行选择性吸收用于所需辐射频带中的光学器件,以获得具有特定带宽的单极光色。它具有设计简便、光通范围广泛、安装与调控方便等优势特征；但其劣势便是频带分辨率低且模糊,因此有必要依据需求为每种单极光色设计针对性的滤光波片。当需要的带宽较大时,滤光波片的数量随之增多,从而增加仪器的总体体积,以上情况适用于波长较小的情况。

(3)光栅分裂结构。运用多狭缝干涉和单狭缝衍射的综合原理,使长度各异的波长混合光通过光栅后,各波长产生的主干干涉最大值以不同角度发射,同一光栅光谱中不同波长的光谱线按照波长顺序排列,最后组成系列的离散光谱线[8]。光栅是光谱系统的主要组成部分,具有较高分辨率、均匀的光谱排列方式和大量产生的波段等特点；其劣势是将会产生多级别光谱,存在一定程度的光能损耗,为有效减少光能零级损耗,可以利用闪耀光栅以增加光能利用率。

2.3 非理想条件复合材料多光谱测温方法

获得目标对象发射率或者发射率模型是进行多光谱测量温度方法的研究关键。获得准确发射率的方法有三种,详细解析如下:查阅文献,依据所测量温度的材料类型在某些温度点和波长下获得该材料的发射率；发射率的理论算法,依据电磁辐射相关理论,仅在确定材料类型、已知掺杂比、光学常数检查和表面粗糙度等条件下才能计算目标发射率；依据材料种类和以往经验设定材料发射率模型[9]。材料类型的数量非常多,特别是基于复合材料科学的飞速发展,数量增长速度极为惊人,在上述依据材料种类选择或设定发射率方法在实行中比较困难,得到的发射率受到材料成分和表面状态的影响而不准确。为优化上述现象,大部分研究人员在学习基础上研究多光谱温度测量方法,但是所使用的波长数量较少,并且不能准确描述目标物体发射率特征优势。在这类方法中,使用不同的发射率模型以完成亮温度样本材料数据,并且从亮温度样本中获知真实温度与目标温度之间的非线性映射关系,而无法识别目标样本的发射率模型。对于经过训练后的样本,能够获得良好的温度计算数据；而对于未经过训练后的样本,其在使用范畴中将会受到一定限制。

2.4 复合材料光谱识别测温方法

光谱识别的多光谱测温(MSTSR)包括对象光谱判别、基于波极长度优化的多光谱温度感测模型,其基本原理构造如图2 所示。对象光谱判别方法主要研究对象光谱的辐射性能,建立每种光谱相对应的发射率模型,研究对象光谱的特征辨别方式以及分类判别方法,并最终完成对象光谱的判别[10]。建立基于波极长度优化的多光谱温度测量模型,通过确定的对象光谱类型选择对应的发射率模型进行被测对象真实温度的测量。

图2 基于多光谱识别的多光谱测温方法原理图Fig.2 Schematic diagram of multispectral temperature measurement method based on multispectral recognition

3 结语

(1)在测量复合材料的红外光谱发射率中,多光谱优化的温度测量方法能够有效增强被测样品表面温度的精确性。

(2)通过利用最优的计算频带,利用冗余数据的稳妥解决方式,并将计算中假定的光谱发射率模型与实际测量得到的数值进行比对和迭代,能够进一步提升测量数据的真实性。

(3)基于多光谱测温优化的光谱发射率测量方法,进而能够有效避免接触测温方式所产生的数差误值,其应用于测量导热系数较差材料的高温度光谱发射率。