轴向温度分布测量技术研究

　　1　引　言

　　温度是物体热能值的一个外在表现,通过对温度的测量,不但可以对我们研究物体内部的能量变化及热能传递方向、大小进行准确判断和计算,还可以通过相应的热平衡方程得到试样的导热系数、导温系数等热物性参数[1-2]。

　　为了对高温环境下碳/碳复合材料的热物性参数进行测量,我们研制了可对棒状试样轴向温度分布进行测量的扫描式温度计。扫描式温度计由光纤比色温度计和扫描式光学探头两部分组成,扫描式光学探头的作用是对试样表面的循环光学扫描,光纤比色温度计的作用是对光学探头传递过来的红外能量进行测量,从而在整体上实现对被测试样表面温度分布进行测量的功能。

　　本文的目的就是对比色温度计和扫描式光学探头的工作原理和设计情况进行总的介绍。

　　2　比色温度计的光学系统结构设计

　　对于精密的光学测量系统而言,必须要有光学瞄准和聚焦功能的光学探头,而对于比色温度计的特定功能而言,还需要光学系统具有从被测入射光中分离出特定波长下的辐射能的功能[3]。现今可作为比色温度计光学系统的参考方案很多,如加滤光片等,但由于棱镜分光技术不会对入射光产生能量衰减、分离后的光线单色性好等优点[4],因此我们采用了这种设计方案,其原理框图如图1所示。

　　来自于被测试样的红外辐射能量经光学取样系统聚焦到视场光阑FS后, L2将辐射能准直为平行束,经光纤传输和分光棱镜P色散成不同波长具有不同角度的多路平行光光谱,再经暗箱物镜13汇聚和反射镜M反射后被相应波长(0. 656μm, 0. 9μm)的A、B光电探测器按波长次序接收。

　　3　比色温度计的放大电路和数采系统的设计

　　3. 1　光电传感器的选择和前置放大电路的设计

　　为了获得较快的响应速度,并使所选传感器的最佳工作波长处于工作波长范围内,我们选择了日本HAMAMATSU株式会社的硅光电二极管S1337-BQ作为探测器,它的光谱响应曲线如图2所示。从图中可以看出,该探测器的响应曲线在工作波长范围0. 19~1. 1μm内有光谱响应带宽、响应速度快、红外响应率高、线性度较好等特点,此外该探测器还有如暗流小、像元之间影响小等优良性能,从而为温度计的高精度温度测量和数据的快速采集提供了前提保障。

　　由于红外探测器输出的信号很微弱,且为电流信号,不利于后继电路的处理。因此,我们设计了一个可在进行I/V变化的同时对这个信号进行放大的前置放大电路。针对硅光电二极管阵列的放大电路主要有电阻反馈式和电荷存储式两种。相比较而言,电阻反馈式放大电路具有可对输入信号进行实时放大、精度高、变换灵活等优点,缺点是制作和调试都比较麻烦,成本也较高;而电荷存储式放大电路的优点是结构简单、成本低、读出方便,缺点是动态范围小,静态噪声大。综合考虑,为了提高仪器的测试精度,尽量降低放大电路的转换时间,我们最终采用了电阻反馈式放大电路。