一种实用化实时测温系统的测温灵敏度

引　言

可将高温的测量方法分为接触式测温法和非接触式测温法两类[1]。就非接触式的辐射测温法而言,又可将其分为被动式辐射测温法[2~4]及主动式辐射测温法[5,6]两种。由于主动式辐射测温法使用激光器或红外辐射源作为测量光源[7,8],从而避开了被测目标的发射率的测量或者能够准确地测量出发射率,因而都能实时、准确地测出被测目标的真实温度。

在使用激光器作为测量光源的主动式辐射测温法中,报道最多的是利用待测目标的发光光谱进行温度的测量(尤其是测量气体的温度时),通过测量待测目标的发射率、进而测出待测目标温度的方法。施德恒等人[9]利用系统的工作波长与各主要技术指标(温度分辨力、测温精度及测温范围)之间的关系,对工作波长进行了优化设计,得出了系统应工作在λ=200μm处的结论;利用系统的各主要技术指标(温度分辨力、标准差及测温范围)与各主要技术参数(工作波长与波长带宽、光学系统的相对孔径、放大器的带宽与光源能量等)之间的关系,对系统的各主要技术参数(光学系统的相对孔径、放大器的带宽及波长带宽等)进行了优化设计[10]。文献[9],[10]中虽涉及探头的温度分辨力,但都未涉及到系统的测温灵敏度;在文献[11]中利用系统的各主要技术参数与各主要测量指标之间的关系,对光源对系统的测温精度及其测温范围的影响进行了分析,但仍未涉及到系统的测温灵敏度。本文中则基于系统的A/D转换器件的分辨力、V(T)-T曲线的温度灵敏度及其与测温范围间的制约关系,确定出应选用16位的芯片作为该系统的A/D转换器件;基于系统的测温精度、V(T)-T曲线的相对温度灵敏度及其与波长间的关系,对系统工作波长的优化选择进行进一步的讨论;通过对探头的温度分辨力与V(T)-T曲线的温度灵敏度、A/D转换器件的分辨率间的制约关系的研究,对系统波长带宽的优化设计进行进一步的分析,并绘制出了系统在整个精确测温范围(673K~1473K)内的测温灵敏度。

1　系统的测温灵敏度

系统的测温灵敏度不仅受探头的温度分辨力的影响,而且还受二次仪表的测温灵敏度的约束。而二次仪表的测温灵敏度又由探测器输出的V(T)-T曲线的温度灵敏度(相对温度灵敏度)、A/D转换器件的分辨率以及电路的放大倍数等决定。

1.1　V(T)-T曲线的温度灵敏度

当无激光束入射检测探测器时,检测探测器输出的电信号的强度V(T)可写成[12]:

式中,D*为钽酸锂热释电探测器的探测率,P1为当无激光束入射检测探测器时,检测探测器接收到的待测目标的辐射能,由下式确定[9~11]:

式中,D为通光口径;f′为光学系统的焦距;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为温度为T的待测目标在波长λ处的发射率;τλ为光学系统对波长为λ的光的总透过率;Lλ为温度为T的黑体在波长λ处的单色辐出度,可由下式确定: