陸文強,陳 靖,王 錚,徐 音,鄭建亞,孫 騫,高立模,譚成章

(南開大學物理科學學院物理實驗教學中心,天津300071)

雙波長高精度紅外測溫儀

陸文強,陳 靖,王 錚,徐 音,鄭建亞,孫 騫,高立模,譚成章

(南開大學物理科學學院物理實驗教學中心,天津300071)

利用雙波長紅外測溫方法,通過黑體紅外輻射曲線中雙波長等比吸收的原理消除了由于輻射環(huán)境中水蒸氣等外界吸收原因造成的單波長紅外測溫儀中的測量誤差,實現(xiàn)更穩(wěn)定的高精度紅外測溫.該方法繞開了傳統(tǒng)紅外測溫方法中“輻射率修正困難”的問題.同時利用此紅外測溫儀器改進了金屬鎢電子逸出功測量實驗.

紅外測溫;雙波長;輻射率修正

1 引 言

紅外測溫方法屬于一種非接觸式測溫方法,該方法通過檢測物體表面發(fā)射的能量來測量溫度,具有測溫范圍廣、響應速度快和不明顯破壞測溫場等特點,被廣泛應用于工業(yè)各個方面,因此,紅外測溫儀的研制也層出不窮.紅外測溫方法是以黑體[1]輻射理論為基礎的.黑體是個理想化的物理模型,而自然界中實際存在的物體(測溫對象),其吸收能力及輻射能力都比黑體小,稱為灰體.灰體的光譜輻射能量為:式中 E0(λ,T)為黑體發(fā)射的光譜輻射通量密度,單位為W·cm-2·μm-1;C1=3.74×10-12W·cm2,稱為第一輻射常量;C2=1.44 cm·K,稱為第二輻射常量;λ為光譜輻射時的波長,單位為μm;T為黑體的絕對溫度,單位為K;ε(λ,T)為被測物體溫度為 T、輻射波長為λ時的輻射率0＜ε(λ,T)≤1.

傳統(tǒng)的紅外測溫儀,一律按黑體的熱輻射定律來設計,即假設儀器接收到的熱輻射與 E0(λ,T)成比例,但紅外測溫儀實際接收到的熱輻射是與 E(λ,T)成比例的.因此,在使用紅外測溫儀時,必須求出被測物體的輻射率ε(λ,T)數(shù)值,即進行輻射率修正.遺憾的是,輻射率ε(λ,T)與被測對象的材料、表面狀態(tài)、波長,溫度以及輻射條件、環(huán)境因素等均有復雜的關系,因此,用戶很難準確地確定ε(λ,T)的數(shù)值,這就是使用傳統(tǒng)紅外測溫儀測溫遇到的輻射率修正困難[2].

曹柏林[3]等人分析了傳統(tǒng)紅外測溫儀的測溫方法在理論上的缺陷,根據(jù)替代法原理,先用實驗方法找出被測對象(某具體物體,不是黑體)的熱輻射規(guī)律,再利用該規(guī)律來測溫,避開了傳統(tǒng)紅外測溫必須要提前獲知各種物體的“輻射率修正函數(shù)ε(λ,T)”的問題,從實驗數(shù)據(jù)總結中獲得經(jīng)驗公式的各個參量,即定標,應用于現(xiàn)場溫度監(jiān)控或測溫,實現(xiàn)了高精度紅外測溫的目的.在其新型紅外測溫儀中,利用了單波長窄帶濾波紅外測溫新方法實現(xiàn)了高精度測量,并發(fā)現(xiàn)在東南大學潘人培教授的“金屬(鎢)電子逸出功的測定”實驗中由于忽略了由板流引起的陰極燈絲溫度下降(因為電子從陰極發(fā)射要克服逸出功),存在著大約-1.86%的系統(tǒng)相對誤差[4].單波長窄帶濾波紅外測溫方法存在著一個問題,就是對周圍環(huán)境因素吸收,如水蒸氣,有很高的依賴性,從而影響其測溫的準確性.為了克服這個問題,本文中,在單波長窄帶濾波紅外測溫儀的基礎上設計了雙波長濾波紅外測溫儀,利用黑體輻射曲線中相鄰2個波長對應的能量等比吸收的原理,在保證紅外測溫高精度測量的基礎上,克服了環(huán)境對物體發(fā)射紅外線吸收造成的測量誤差.

2 實驗原理

在經(jīng)典近似[5]情況下,C2/(λT)?1,在紅外測溫儀的測溫范圍內(nèi)滿足此條件.Plank公式可近似簡化為Wien公式

如果把波長λ取為定值(加窄帶濾波片)λ0,則(2)式只與溫度有關,可改寫為

其中,A0=C1λ-5,B0=-C2/λ.顯然,(3)式是Wein公式的一種特殊形式(λ=λ0),仍然只適用于黑體.但(3)式明顯的指數(shù)函數(shù)形式啟發(fā)我們,只要將(3)式中的 A0和 B0視為可變參量 A和B,就可以很自然地推廣到灰體的情況,即灰體的光譜輻射能量為比較(1)式和(4)式可以看出,前者需要確定復雜的輻射率函數(shù)ε(λ,T)來實現(xiàn)從黑體到灰體的修正,后者則只需簡單地改變A,B參量的值就可實現(xiàn)從黑體到灰體的修正.

在實際應用中,由于有水蒸氣等環(huán)境因素對紅外線的吸收,利用單波長紅外測溫時的單波長的紅外吸收對測量結果有很大的影響.所以利用相鄰兩波長等比吸收的原理,取2個波長的吸收能量比作為溫度的函數(shù),環(huán)境中有水蒸氣等因素的吸收造成的測量誤差即可避免.

如圖1所示,圖中較粗的曲線代表了由于環(huán)境吸收造成的溫度下降后單個波長的輻射曲線,而實際輻射物體的輻射曲線為1 000 K的輻射曲線.假如取2個相鄰波長(實驗中,取900 nm和950 nm),會發(fā)現(xiàn)其吸收的比值是不變的,利用這個等比吸收原理,設計了雙波長紅外測溫儀,消除了由于外界水蒸氣等吸收因素造成的測量誤差,能更穩(wěn)定地實現(xiàn)高精度測量.

圖1 黑體的光譜輻射功率曲線

在(4)式中分別取λ1和λ2,則

(5)式與(6)式相比得

因此,只要利用實驗數(shù)據(jù)擬合確定(7)式中A和B兩個系數(shù),即可得到溫度與比值 X的關系.在實際測量中,則將(7)式看作溫度 T關于 X的函數(shù),用泰勒展開,采用數(shù)值逼近的方法達到所要求的設計精度.

令:T=f(X),展開得利用獲得公式,即可測量或者監(jiān)控不同條件下的輻射溫度.

圖2是雙波長紅外測溫儀實驗裝置示意圖,一定溫度 T的被測對象發(fā)出紅外輻射,通過半透半反鏡后被分成2束光,分別通過λ1窄帶濾波片和λ2窄帶濾波片后被硅光電池接收生成光伏能量,信號被 I-V變換放大電路放大成V1和V2,通過除法器后得到比值 X.

圖2 實驗裝置示意圖

在測量溫度前,首先對紅外測溫儀進行定標,即確定比值 X和溫度 T的關系式中的系數(shù).首先調(diào)節(jié)標準燈的不同電流可計算出不同電流下的一系列溫度 T1,T2,T3,…,通過雙波長紅外測溫儀測得對應的比值 X1,X2,X3,…,然后利用公式擬合得出相應系數(shù).即得到此種環(huán)境下的該輻射體的紅外輻射溫度曲線公式.然后通過計算機程序設定好此系數(shù)下的計算公式,即可測量或者監(jiān)測任何情況下的輻射溫度.在實際測溫過程中,利用指數(shù)形式的多項式展開,能更好地獲得多項式的系數(shù),從而在實際操作過程中實現(xiàn)更高精度的測量.

3 實驗結果和討論

圖3是2個窄帶濾波片的透射譜.從譜圖中可以看出圖3(b)具有很好的窄帶紅外透過性.

圖3 窄帶濾波片的透射譜

圖4～5是定標確定雙波長紅外測溫公式的多項式,為了更加精確,在實際測量中采用分段測量的方法.從擬合公式可以看出,溫度和兩路電壓比值有很好的單調(diào)關系,其中相關性 R2=0.999 8,有很高的相似性.在此條件下,利用數(shù)據(jù)采集卡和自己編寫的數(shù)據(jù)采集軟件監(jiān)測了實驗室環(huán)境下不同標準燈的溫度的變化,結果如圖6～8.從圖中可以看出設計的雙波長紅外測溫儀具有很好的穩(wěn)定性和精度.表1是測量結果以及標準偏差.表中 T標是根據(jù)電流計算得到的標準燈溫度,T測為雙波長測溫儀測得的溫度,表中數(shù)據(jù)為監(jiān)測60 s的平均值,s為標準偏差.為了更好地驗證雙波長紅外測溫儀克服環(huán)境因素影響的實用性,對工業(yè)現(xiàn)場條件下的測量也是必要的工作.同時,對標準燈的測量結果說明開發(fā)的測溫儀能作為“金屬鎢電子逸出功測量實驗”標準燈溫度的測量,能豐富其實驗內(nèi)容,讓學生能夠更多地接觸紅外測溫和黑體輻射實驗等理論和知識,為拓寬學生的知識面提供更好的機會.

圖4 1 300～1 700 K溫度段的定標曲線

圖5 1 700～2 200 K溫度段的定標曲線

圖6 1858K標準燈溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖7 1942K標準燈溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖8 1989K標準燈溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)

表1 不同溫度標準燈的監(jiān)測結果

4 結 論

利用黑體輻射曲線中相鄰波長的等比吸收的原理,設計了雙波長紅外測溫儀,提出利用現(xiàn)場定標的實驗方法找出實際條件下被測對象 (某一具體物體,不是黑體)的熱輻射規(guī)律,并給與校準,再利用該規(guī)律在原有條件下來進行溫度監(jiān)測或測溫,即利用“替代法”校準了該實際條件下的許多隱含參量.該方法有效地克服了紅外測溫中各種物體的“輻射率修正”難題,克服了測量條件復雜,現(xiàn)場測量條件波動或者水蒸氣等因素的環(huán)境吸收造成的測量誤差,實現(xiàn)了高精度溫度測量,通過初步的“金屬鎢電子逸出功測量實驗”的標準燈溫度測量的實驗數(shù)據(jù)說明了雙波長紅外測溫儀方案的可行性.

[1]瑞德尼克B N.量子力學史話[M].黃宏荃,彭灝,譯.北京:科學出版社,1979.

[2]青山憨.輻射測量法與比輻射率(下)[J].紅外,1996(7):29.

[3]曹柏林,李芮,楊鴻升.紅外測溫原理實驗[J].物理實驗,1998,18(5):9.

[4]曹柏林,顧驥城.金屬電子逸出功和板流引起的陰極溫降現(xiàn)象[J].天津理工學院學報,2001,17(3):11.

[5]尤峻漢.天體物理中的輻射機制[M].北京:科學出版社,1983.

[責任編輯:尹冬梅]

Research and development of a dual wavelength infrared thermoscope of high accuracy

LU Wen-qiang,CHEN Jing,WANG Zheng,XU Yin,ZHENG Jian-ya,SUN Qian,GAO Li-mo,TAN Cheng-zhang
(Physics Experimental Teaching Center,School of Physics,Nankai University,Tianjin 300071,China)

In this paper,stable and highly accurate temperature measurement was investigated using infrared thermoscope.Acco rding to the rule that the environment abso rp tion of dual w avelength was same in black body infrared absorp tion curve,a dual wavelength infrared thermoscope was designed to avoid the erro rs caused by radiant environment in single w avelength infrared thermoscope.The dual wavelength infrared thermosope avoided the“emissivity revising p roblem”w hich occurred in traditional inf rared thermoscope.Furthermore,the experiment of work function of tungsten filament was imp roved by using this dualwavelength infrared thermoscope,and enriched the experimental content.

infrared thermoscope;dual wavelength;emissivity revising

TN215

A

1005-4642(2011)01-0016-04

“第6屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

2010-08-05

國家基礎科學人才培養(yǎng)基金項目資助(南開大學物理學基地)(No.J0730315)

陸文強(1975-),男,河北安平人,南開大學物理科學學院副教授,博士,主要從事近代物理實驗教學工作.