一种被动式辐射测温系统的波长及其带宽设计

　　1　引　言

　　可将辐射测温法分为主动式辐射测温法和被动式辐射测温法两类[1,2],被动式测温法又可分为单波长辐射测温法、双波长辐射测温法及多波长辐射测温法三种[3—5]。由于目前的单波长辐射测温法或双波长辐射测温法大都不能直接测出目标的发射率,因而往往都有较大的测温误差。

　　本文所述的这一测温仪器,采用PIN硅光电二极管作光电转换器件。系统尽管只工作在一个波长上,但由于使用了一只反射镜作为辅助光源,通过对反射镜处于“开”、“关”状态时探测器输出信号的巧妙处理,可以实时测出待测目标发射率的值,进而实现发射率及温度的同时准确测量。

　　2　测温原理与仪器结构

　　2.1　测量原理

　　如图1所示,反射镜与探测器对称地置于待测表面法线的两侧。当反射镜不起作用时,探测器接收到的辐射能P1为

　　式中D为光瞳口径;f′为光学接收系统的焦距;τ0为大气的传播系数;A为探测器的灵敏元面积;η为调制盘的调制系数;ελ为温度T时的待测目标在波长λ处的发射率;Lλ为温度T时的黑体在波长λ处的辐射出射度;τλ为光学系统对波长为λ的光的总透过率。

　　当反射镜起作用时,反射镜将红外辐射反射回待测区域的单色辐射能为

　　式中γ1为反射镜的有效反射率。不难导出,此时探测器接收到的辐射能P2为

　　式中γ2为待测表面的有效反射率;β为待测表面镜面反射特性的光学校正系数。由基尔霍夫定律,有

　　在极窄的波段内,对于同一种表面而言,可以认为β是一常数;同时,在极窄的波段内,也可以认为ελ及τλ与波长无关。据此并利用(1)~(4)式,可导出

　　2.2　仪器结构

　　该仪器主要由光学接收系统、信号放大与处理系统及显示系统三部分组成。工作时,接收镜头接收到的光信号(P1、P2),经窄带干涉滤光片滤光后,再经由PIN硅光电二极管构成的光电转换系统转换成电信号。该信号经前置放大、选频放大、脉宽压缩、模_数转换后送入8031单片机系统进行数据处理,以算出待测表面的发射率及温度。

　　电路中所需的各种触发与同步信号,均由同步光电系统产生:透过调制盘上镶嵌的同步滤光片的光信号,先经光电转换系统转变成电信号,再经整形放大并经适当延时后分别去触发、同步各个需要触发和同步的信号。

　　调制盘的结构简图见图2。其中1、2、4号窗口贴的是波长为0.80μm的窄带干涉滤光片(带宽20nm),3号窗口贴的是波长为1.00μm的滤光片,带宽约0.1μm(无严格要求)。5、6号窗口贴的是波长为1.00μm的滤光片(带宽也无严格要求)。调制盘的转速为1200r/min。