可同时测量真温及光谱发射率的8波长高温计

　　1　引　言

　　20世纪80年代以来,欧美等国竞相研究多光谱测温技术,主要用来解决高温及超高温目标真实温度及热物性的动态测量。1982年,Cashdollar[1]研制成了PbSe作为探测器的6波长高温计,用以测量在粉尘爆炸过程中粉尘粒子及气体的温度;1992年,Cezairliyan等人[2]研制成了亚毫秒级的6波长高温计,在脉冲加热下测量了铌金属试样的亮度温度。

　　就目前多波长高温计的研究现状而言,主要存在以下几个问题:(1)采用干涉滤光片限定工作波长,受温度及湿度影响较大,而且干涉滤光片也易老化;(2)采用光导纤维进行分光,使输出信号减小,不利于小目标测量及提高信噪比和分辨力;(3)基于式(1)假设方程进行数据处理,当被测目标的真实情形与假设方程不相符时,通过计算得到的目标真温及光谱发射率的结果偏差相当大[3],不仅使得目前的多波长高温计只能作为一种专用仪器对某一特定目标进行测量,而且还无法作为一种通用仪器适合大多数工程材料的目标真温及光谱发射率的测量。

　　　因此,有必要研制一种在光路系统及数据处理方法等方面有突破的新型多波长高温计,以便能够自动识别大多数工程材料的目标真温及光谱发射率。

　　2　多波长高温计的总体框图

　　多波长高温计主要由光路系统和数据采集系统两部分构成,其总体框图如图1所示。主要技术指标是:(1)测温范围为800～5 000 K;(2)测温精度优于0.5%;(3)分光方法采用组合棱镜分光;(4)波长数为8路;(5)测量距离为550 mm～∞;(6)最小测量目标为1×1 mm2。

　　2.1　光路系统

　　图2为多波长高温计的光路系统,其中L1为主物镜,L2为准直物镜和孔径光阑,P为组合色散棱镜,L3为暗箱物镜,M为反射镜,A为光电探测器,L4为目镜,FS为视场光阑和反射镜。

　　主物镜L1、视场光阑FS与位于准直物镜L2上的孔径光阑构成取样系统,主物镜可以调焦,以便把被测物的像调到视场光阑面上来。L2将视场光阑FS从物面上取来的辐射能准直为平行束,经P色散成不同波长且具有不同角度的多路平行束,再经L3和M成像在L3的焦平面A上,被多元光电探测器按波长次序接收。光电探测器采用8个S1336-18BK型硅光电二极管,每个硅光电二极管的位置可以单独调节,以便获得最佳像质。

　　2.2　数据采集系统

　　前置级放大器选用AD645,采样保持器选用LF398。采样保持器的作用是为了保证测得的8路信号是同一时刻的,这对于应用多波长算法至关重要。ADAM5510是基于PC机的可编程式数据采集系统,带有4个I/O模块插槽和两个串行通讯端口(即RS-232和RS-485)。ADAM5017H是高速模拟量采集模块,ADAM5050是数字量输入输出模块。由内插在ADAM5510上的ADAM5050模块输出数字量,控制采样保持器。由内插在ADAM5510上的ADAM5017H模块采集采样保持器的输出。无线收发模块采用SA68D22型无线数传模块,最远传输距离为15 km,无线收发模块与计算机间的信号交换是通过串行口RS-232来完成的。