張文琦，房落鳳，田鵬飛，俞倫鵬，薛生虎

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院，浙江杭州 310018,2.北京南奇星科技發(fā)展有限公司，北京 102600)

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紅外輻射測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)及SSE的影響研究

張文琦1，房落鳳1，田鵬飛1，俞倫鵬2，薛生虎1

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院，浙江杭州 310018,2.北京南奇星科技發(fā)展有限公司，北京 102600)

SSE是影響輻射測(cè)溫的一個(gè)重要因素，為了研究輻射測(cè)溫光學(xué)系統(tǒng)在減小SSE影響上的作用，設(shè)計(jì)了工作波段為0.8～1.2 μm的近紅外輻射溫度計(jì)的實(shí)驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)；該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成元件少，主要包括紅外物鏡和分光鏡,因而便于實(shí)驗(yàn)過(guò)程變量的控制。同時(shí)在滿足通光量的要求下，在光學(xué)系統(tǒng)的特殊位置，設(shè)計(jì)了3個(gè)不同尺寸的孔徑光闌，以研究不同位置不同孔徑下光學(xué)系統(tǒng)克服SSE影響的效果；通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，得出孔徑光闌的位置和尺寸大小在克服SSE的影響時(shí)起著重要作用，在測(cè)試1 000 ℃時(shí)，將孔徑光闌設(shè)置在探測(cè)器附近，測(cè)試溫度的溫度偏差減小了3 ℃。

輻射測(cè)溫;光學(xué)系統(tǒng);孔徑光闌;背景輻射;輻射源尺寸效應(yīng)

0 引言

在國(guó)防、軍事、科學(xué)實(shí)驗(yàn)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,溫度的測(cè)量和控制具有十分重要的作用;而在溫度測(cè)量領(lǐng)域,主要包括兩大類:接觸測(cè)溫與非接觸測(cè)溫;根據(jù)兩種測(cè)溫法的測(cè)溫原理,非接觸測(cè)溫在許多方面都要優(yōu)于接觸測(cè)溫,例如:測(cè)溫范圍廣、不影響溫場(chǎng)、可測(cè)量超高溫物體等[1-2],特別是近二十年來(lái),由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展、半導(dǎo)體材料研究的進(jìn)步及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,輻射測(cè)溫技術(shù)得到長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展[3]。

然而輻射測(cè)溫仍然面臨著許多因素影響,SSE就是其中重要的一個(gè),即用同一臺(tái)輻射溫度計(jì)去測(cè)量同一溫度下的物體,當(dāng)物體輻射源的尺寸改變時(shí),輻射溫度計(jì)的輸出結(jié)果會(huì)不一樣,這種效應(yīng)稱為輻射源尺寸效應(yīng)(Size-of-Source Effect,簡(jiǎn)稱SSE)[4]。它是輻射測(cè)溫不確定度的一個(gè)重要來(lái)源,如水平較好的660 nm標(biāo)準(zhǔn)高溫計(jì)在測(cè)量直徑50 mm的黑體輻射源時(shí),SSE會(huì)達(dá)到(1～2)×10-3[5],相當(dāng)于測(cè)量1 000 ℃時(shí)誤差為1～2 ℃,而一般工業(yè)用的輻射溫度計(jì)則更大,溫度誤差甚至能達(dá)到幾℃。SSE是輻射溫度計(jì)光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)中灰塵引起的散射、透鏡表面間的相互反射、光學(xué)系統(tǒng)的像差及衍射、周圍環(huán)境中的雜散光等效應(yīng)的綜合結(jié)果[6],SSE是影響輻射測(cè)溫法溫標(biāo)復(fù)現(xiàn)、傳遞、比對(duì)和測(cè)溫的主要不確定度因素之一。

SSE的產(chǎn)生因素主要來(lái)自光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部，許多專家學(xué)者為了消除SSE的影響，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了研究工作。德國(guó)物理技術(shù)研究院(PTB)研制的無(wú)透鏡結(jié)構(gòu)中低溫輻射溫度計(jì),該結(jié)構(gòu)主要以遮光光闌和限制光闌為主,在同有透鏡的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比對(duì)后,得出該無(wú)透鏡結(jié)構(gòu)裝置在消除SSE的影響上表現(xiàn)出更好的性能[7-8]。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院的H.W.Yoon對(duì)輻射測(cè)溫的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出合適的Lyot光闌位置和尺寸可以減小SSE的影響[9]。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的盧小豐、原遵東也研究了孔徑光闌對(duì)輻射源尺寸效應(yīng)的影響,提出孔徑光闌在消除SSE時(shí)起到重要作用,并指出若將孔徑光闌放在會(huì)聚透鏡之后,其SSE值要小于其他位置[5]。另外,Robert[10]在抑制雜散輻射的問(wèn)題和技術(shù)一文中也指出孔徑光闌在系統(tǒng)中越是靠近探測(cè)器,對(duì)系統(tǒng)雜散光的抑制越是有利。趙泉?dú)J[11]等將不同孔徑的光闌置于黑體空腔腔口構(gòu)成黑體輻射源的不同尺寸，在較低溫度(10～200 ℃)條件下對(duì)紅外溫度計(jì)的SSE進(jìn)行測(cè)量和實(shí)驗(yàn)。

不同的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(特別是孔徑光闌)在克服SSE的作用上也會(huì)存在很大差異。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)用于研究SSE影響的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的紅外測(cè)溫光學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)物鏡前加載遮光罩以及探測(cè)器前設(shè)置不同孔徑的光闌,以期減小SSE的影響,滿足輻射測(cè)溫的精度要求。

1 紅外輻射測(cè)溫光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了研究和驗(yàn)證光學(xué)系統(tǒng)的元件在克服SSE時(shí)表現(xiàn)出的不同作用,光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要滿足以下幾點(diǎn):首先,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,組成元件要盡可能少;其次,便于機(jī)械固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì);最后,要滿足人為控制變量的方便性。按照以上要求設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)原理圖

光學(xué)系統(tǒng)原理:目標(biāo)源輻射的能量經(jīng)過(guò)物鏡的會(huì)聚作用進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部;設(shè)置在物鏡之后的孔徑光闌(或者物鏡鏡框)限制進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部的光束孔徑的大小,即控制測(cè)溫和目視光路的輻射立體角,限制著進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部的輻射能量的多少;通過(guò)物鏡進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部的光路被分光鏡分為2部分,被反射的部分為測(cè)溫光路,在其像方焦平面處放置探測(cè)器,完成測(cè)溫的任務(wù);透過(guò)的部分為目視光路,在其像方焦平面處放置分劃板和目鏡,觀察目標(biāo)源的聚焦情況。

本文通過(guò)添加孔徑光闌、遮光罩抑制雜散光;根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)原理圖、幾何光學(xué)理論分析得出:進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的雜散光主要包括外部雜散光和內(nèi)部雜散光,外部雜散光可以通過(guò)在物鏡之前加一個(gè)消雜光光闌進(jìn)行削弱;而對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部因光學(xué)元件表面之間的散射造成的雜散光,需要通過(guò)內(nèi)部孔徑光闌進(jìn)行抑制,如圖1所示,孔徑光闌放在位置1時(shí),阻擋內(nèi)部雜散光的作用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于位置2,所以可以將孔徑光闌設(shè)置在位置2(即靠近探測(cè)器)來(lái)驗(yàn)證消除雜散光的作用。

通過(guò)以上分析,該光學(xué)系統(tǒng)在滿足輻射測(cè)溫光學(xué)原理的條件下,光學(xué)元件少,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,通過(guò)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足光學(xué)元件安裝和調(diào)節(jié)的方便性,并增加人為控制變量的主導(dǎo)作用。

1.2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求制定光學(xué)系統(tǒng)參數(shù),本文設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)在田鵬飛[12]等的論文中已有詳細(xì)計(jì)算,這里僅列出計(jì)算結(jié)果,光學(xué)系統(tǒng)元件的計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示,表中D1為物鏡通光孔徑、D2為分光鏡通光孔徑、D3為分劃板直徑、D4為目鏡通光孔徑、D5為出瞳直徑。探測(cè)器的型號(hào)、參數(shù)如表2所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 探測(cè)器型號(hào)參數(shù)

1.3 光學(xué)元件

該光學(xué)系統(tǒng)的組成元件主要包括:紅外物鏡、分光鏡等;其中作為系統(tǒng)最重要的組成元件紅外物鏡,選擇的是愛(ài)特蒙#45-806型近紅外鏡頭,該鏡頭通過(guò)鍍膜技術(shù)使得工作波段為0.8～1.2 μm，通過(guò)率在95%以上,對(duì)非近紅外波段的透過(guò)率則起到了有效衰減作用;另外該鏡頭的光學(xué)性能良好,校正后滿足系統(tǒng)對(duì)光學(xué)性能(消除色差、球差、正弦差)的要求、分光鏡選用愛(ài)特蒙型號(hào)為#47-609的產(chǎn)品,該分光鏡的優(yōu)點(diǎn)是不論入射光的角度為多少,其分光比保持固定不變(反射率70%),這樣在很大程度上減少了光路調(diào)節(jié)的復(fù)雜性。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和性能測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

組建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖2所示,該平臺(tái)主要包括:標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源、紅外輻射測(cè)溫系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)字萬(wàn)用表。其中,標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源選用HZ-2型標(biāo)準(zhǔn)中溫黑體輻射源,工作溫度為300～1 200 ℃,溫度穩(wěn)定性≤0.3 ℃/10 min,腔口發(fā)射率≥0.995，滿足使用要求;數(shù)字萬(wàn)用表選用K2000,在測(cè)量直流電流時(shí),其分辨率達(dá)到10 nA～10 mA,滿足使用要求。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

2.2 性能測(cè)試

2.2.1 消雜散光性能測(cè)試

將標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源的溫度分別設(shè)置為500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃、900 ℃、1 000 ℃時(shí),驗(yàn)證在光學(xué)系統(tǒng)位置2(如圖1)處放置孔徑光闌和不放置孔徑光闌情況下,該系統(tǒng)裝置消除周圍環(huán)境雜散光的性能。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)分析測(cè)試的數(shù)據(jù)得出,將設(shè)置在探測(cè)器位置近處的孔徑光闌拿掉,以物鏡鏡框作為孔徑光闌時(shí),有無(wú)遮光罩對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大,即周圍環(huán)境雜散光對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大,500 ℃時(shí),添加遮光罩可使輸出電流減小0.009 μA,溫度減小0.6 ℃;1 000 ℃時(shí)遮光罩可使輸出電流減小23 μA,溫度減小2.8 ℃而在探測(cè)器支架上安裝了1.5 mm的孔徑光闌后,有無(wú)遮光罩對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很小,500 ℃時(shí)，有遮光罩可使輸出電流減小0.01 μA,溫度幾乎無(wú)變化;1 000 ℃時(shí)，有遮光罩時(shí)輸出電流為0.04 μA,溫度小值約為0.2 ℃。

2.2.2 不同孔徑光闌性能測(cè)試

為了研究孔徑光闌不同位置、不同孔徑情況下,該光學(xué)系統(tǒng)的性能,單獨(dú)設(shè)計(jì)了位于特殊位置2處的3個(gè)不同孔徑大小的孔徑光闌,其孔徑值分別為1 mm、1.5 mm、2 mm,并將黑體標(biāo)準(zhǔn)輻射源的溫度設(shè)置為400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃、900 ℃、1 000 ℃等7個(gè)溫度值進(jìn)行了測(cè)試,其測(cè)試結(jié)果如表4～6所示。

表4 1 mm孔徑測(cè)試數(shù)據(jù)

表5 1.5 mm孔徑測(cè)試數(shù)據(jù)

表6 2 mm孔徑測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)可以得出的結(jié)論包括:

(1)在探測(cè)器支架上有無(wú)孔徑光闌對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大,測(cè)試結(jié)果表明,裝有孔徑光闌的光學(xué)系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)受到周圍環(huán)境雜散光的影響要小很多;

(2)在滿足限制通光孔徑理論孔徑值的條件下,在消雜散光性能上,1 mm的孔徑光闌優(yōu)于1.5 mm的孔徑光闌,而1.5 mm孔徑光闌要優(yōu)于2 mm孔徑光闌;

(3)在400～700 ℃，添加孔徑光闌后,再添加遮光罩，輸出電流的僅能減小0.1～0.3 μA，溫度減小值在0.2 ℃之內(nèi)，而當(dāng)800 ～1 000 ℃時(shí),特別是1.5 mm和2 mm孔徑的光闌測(cè)試的數(shù)據(jù)受雜散光影響要大的多,在孔徑光闌的作用下,添加遮光罩使輸出電流減小0.5 ～0.12 μA,溫度最大減小量達(dá)到3 ℃。同時(shí)結(jié)合探測(cè)器的感光面積,在滿足通光亮度的條件下,應(yīng)該選用1 mm孔徑光闌。

3 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用的實(shí)驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng),來(lái)驗(yàn)證遮光罩、不同孔徑的光闌在減少SSE影響上的不同作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光學(xué)系統(tǒng)中孔徑光闌的位置和孔徑的大小都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生較大影響。在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的特殊位置2處(即圖1中靠近探測(cè)器像面的位置),加孔徑光闌會(huì)在很大程度上減少雜散光的影響,在測(cè)試1 000 ℃時(shí),有無(wú)該孔徑光闌,溫度的變化量會(huì)達(dá)到3 ℃;另外,在測(cè)試800～1 000 ℃時(shí)1 mm的孔徑光闌在抑制雜散光的性能上要好于1.5 mm和2 mm的孔徑光闌,即在滿足通光亮度和有效限制輻射立體角的條件下,選擇較小的孔徑光闌可以顯著減小SSE的影響。

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Design of Infrared Radiation Thermometry System and Research on Effects of SSE

ZHANG Wen-qi1,FANG Luo-feng1,TIAN Peng-fei1,YU Lun-peng2,XUE Sheng-hu1

(1.China Jiliang University,Hangzhou 310018,China,2.Beijing Nanqixing Sci-Tech Corp Ltd.,Beijing 102600,China)

SSE is a key factor affecting radiation temperature measurement.In order to study the role of an optical system in reducing the effects of SSE,an optical system of near infrared radiation thermometer operating at 0.8～1.2 μm wavelength band was designed.The componerts of the system were simple,mainly including the infrared objective lens and spectroscope,so that it was very convenient to control the experimental variables.To meet the requirements of light amount,three aperture diaphragms of different sizes were designed on the special position of the optical system to study the important effects of SSE.The experimental results show that the position and size of an aperture diaphragm play an important role in reducing the impact of SSE.At 1 000 ℃,when the aperture diaphragm was located near the detector,the temperature deviation will reduce 3 ℃.

radiation temperature measurement;optical system;aperture diaphragm;background radiation;SSE(Size of Source Effect)

2014-11-18 收修改稿日期：2014-11-28

TB942

A

1002-1841(2015)02-0071-03

張文琦(1988—),碩士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)輻射測(cè)溫。 E-mail cjlzhangwq@163.com