六通道瞬态光学高温计

　　引　言

　　本世纪六十年代,苏联学者С.Б.Кормер[1]等人开展了离子晶体冲击温度测量。七十年代,美国学者P.A.Urtiew[2]等人把冲击温度测量技术从透明材料扩展到了非透明材料。随后美国的Thomas J.Ahrens[3]建立了六通道辐射测量系统(或称高温计),将工作波长从可见光扩展到了近红外区。国内空气动力学研究院于八十年代初研制出毫秒量级的多波长高温计[4]。我所为了深入研究冲击加载下材料的辐射特性,准确测定冲击温度,1987年研制了以光纤作为接受、传输光能元件的六通道瞬态光学高温计。此后,国内外学者已把高温计广泛运用于动载下瞬态高温测量[5]。本高温计经近十年的实践应用和改进,在温度测量范围、稳定性、测量误差和应用范围等性能方面都有了很大进步。

　　1　基本原理

　　六通道瞬态光学高温计是以普朗克热辐射理论为基础,将待测光源的辐亮度与标准光源的辐亮度进行比较,从而测得待测光源温度的一种光学仪器。按照经典理论,绝对黑体的辐射由普朗克公式描述:

其中ε为光源的发射率。

　　对于实际测量而言,被测量是高温计中所设计的工作波长λi上的光谱辐亮度j(λi,T)(简写为ji)。当光源为灰体时,ε不随波长而变化,可用综合测量法同时确定温度和发射率。测量时选取n个工作波长λi(i=1,2,3…n),用n个通道分别测量与λi对应的辐亮度ji,由(2)式列出条件方程为

　　2　主要技术性能指标

　　六通道瞬态光学高温计由六芯光缆、高压电源和高温计主体三部分组成。高温计主体又由光电转换器件、干涉滤光片和校准光源等组成。高温计所达到的技术指标可概括为:工作波长范围为0.4～1.06μm;温度测量范围为2300～9000K;温度测量误差(实验点与拟合线的偏差的均方根相对值)小于5%;测量发射率的范围为0.4～1.0;发射率测量误差小于15%(温度低于3000K)和小于10%(温度高于3000K);响应时间是直接输出时小于5ns,经跟随输出时小于30ns。经跟随器输出时,高温计输出阻抗为50Ω,可与模拟示波器、数字示波器、瞬态波形存贮仪、动态测试分析仪连用;采用直接输出方式时,在信号电缆的终端应加接50Ω的阻抗匹配插头后,再与记录仪器对接。

　　3　标定

　　六通道瞬态光学高温计进行测温前,需要利用标准光源对高温计进行标定,以确定其系统常数。标定时标准光源的光经光纤传给高温计主体,进行光电转换后传输至记录仪器记录。当高温计接受到的光能处于其线性范围时,记录仪器的信号幅度(电压)与光纤采集的光能成正比: