基于发射光谱的激光热处理过程高温测量方法

　　目前激光热处理中温度的测量方式分为接触式和非接触式测温两种。热电偶作为目前接触式测温的主要方式,有以下几个缺点:①此方法有着一定的滞后性,只能实现温度的间断测量;②热电偶插入的位置及深度由经验判断,因此有一定的随机性;③对一块金属材料不间断重复热处理时,无法及时更换热电偶;④热电偶价格昂贵,且使用寿命较短。非接触测温则以辐射测温为主[1]。目前辐射测温主要采用亮度法、辐射法、比色法、多波长法等,其中亮度法与辐射法用人的眼睛或光电倍增管为接受器件,在特定波长下比较标准光谱线与被测光谱线是否相等[2],从而判定温度,

　　因此该方法极容易受到环境影响,误差很大[3-4]。比色法可以通过两个通道光强的比值来达到消除环境影响的目的,但是它还是有一定缺陷,主要来源于:①比色法在选定相比的两个波段时与数据处理原则相冲突;②若介于测量仪与被测物体之间的介质对双波段中的一个有强烈的吸收时,则此方法无法使用。多波长(多光谱)测温法是目前较为主流的一种方法,其通过假定发射率模型,利用多通道采集的信号逐步回归得到温度[5-6]。此方法的误差主要来源于:假定的发射率模型只是在一定范围内才能近似符合真实情况。同时该模型并不适合所有事物,有一定的局限性[7]。

　　本文介绍了一种基于光谱的温度测量方法,利用温度与光谱强度的斜率关系[8],通过在一较窄波段内采集较多测量点,最大限度地减少环境对测量结果的影响。

　　1　光谱测温原理

　　辐射测温一般基于黑体辐射定律,即温度为T的黑体发出的光谱与T有一定的关系,其光谱强度由普朗克公式给出:

　　由式(4)可以看出方程左面与1/λ呈线性关系,且其斜率为温度倒数的c2倍。因此,在得到方程斜率之后,即可求得T。此线性方程中,通过数学变换,将发射率从波长的系数中分离出来,并将其移项到线性方程的尾部,同时在测量中,选择窄波段作为数据采集段,以减少发射率的变化量,如此便可在较大程度上减少发射率对温度测量的影响。试验中只需通过光谱仪测得一窄波段范围内波长及其光强值,便可利用斜率求得温度。

　　2　试验测温系统

　　本试验系统主要由4部分组成:加热部分、光谱检测部分、温度测量部分以及数据处理部分(如图1所示)。

　　加热部分采用7 kW大功率CO2激光器作为加热源,以普通45钢作为被测材料。为了得到平稳的温度上升曲线,防止温度上升过快,测量过程中将激光器的输出功率设定为650W,并持续照射同一点。采用光纤光谱仪采集光谱,其采集波段为400~950 nm。为防止加热过程中烟气对光谱强度的影响,在被测材料旁安置了抽烟系统。试验将热电偶与红外温度测量仪相结合,通过对两者的数据进行比较处理,从而获取较为准确的温度值。试验中在光谱仪的另一侧装配一个支架,将一台Metis红外温度测量仪固定其上,使红外温度测量仪的测量点与激光加热点以及光谱仪测量点重合。本系统使用的红外测温仪具有较高的温度测量精度,其测量误差为±0. 75%。因此在试验中,本文以该系统所测得温度值为标准进行测量误差的评判。试验过程中测量了18个不同温度值下待测物体的光谱情况,并分别记录了各自的波长与光谱强度。