落管中双波长测温的工作波长选择

    引言

    落管是一种在地面模拟空间微重力环境的实验设备，主要用来研究金属和合金在微重力和无容器环境下的过冷快速凝固研究。它由一个垂直的管体以及顶部的试样熔融室和底部的试样收集室组成，并配有其他辅助设施。其中落管中的温度测量系统对研究材料深过冷过程中的热物理性质具有重要意义。实验中样品的直径很小，在落管中下落时运动速度和温度变化都很快，要动态的测出样品的温度困难较大。这种情况下采用辐射测温方法成为唯一的选择。而双波长测温方法可以克服物体发射率以及被测物体运动的影响因而在运动粒子的温度测量中得到广泛应用^[1,2]，测温过程中波长的选择非常关键，在理论和方法上都引起了重视^[3～5]。在落管测温的过程中，在要求的测温范围内，从测温曲线的动态范围、灵敏度、线性以及探测器光谱响应等方面综合考虑，采用数值计算的办法确定出两个波长λ₁和λ₂的取值范围。然后根据实验中结构、安装以及周围环境的影响最终确定测量波长及带宽，在实验中取得了较好的效果。

    1 基本原理

    落管中双波长测温的结构如图 1 所示，样品发射的热辐射被 Y 型光纤束收集分成两路，再分别经过滤波片和光电探测器件进行信号处理，由数据采集系统将测量结果送入计算机进一步处理。

    假设实验中球状样品的直径为 R，光纤端面直径为 D，样品到光纤面距离为 L，可以计算出样品辐射到光纤端面的通量Ф为^[6]：

式中M为黑体辐出度:

    M(λ,T)为黑体光谱辐出度，由普朗克公式给出。

式中：λ是波长（μm）；T 是绝对温度（K）；c₁（第一辐射常数）＝(3.7415±0.0003)×10^－4（W μm²）；c₂（第二辐射常数）＝(1.43879±0.00019)×10⁴（μm K）。

    双波长测温的基本原理是测量温度由两路光辐射强度的比值决定。比值 R 由下式表示：

其中λ₁、δλ₁和λ₂、δλ₂分别为两个滤波片的中心波长和带宽。由(4)式可知温度 T 与辐出度比值 R(T)成单值函数关系，即由 R(T)可以唯一的确定温度 T。对于实际物体还需考虑发射率的影响，但只要两个波长选的比较接近发射率就近似相等，测量误差一般就很小。

    2 测温系统参数的最佳选择

    对于辐射温度传感器一般要求：1）在测温仪的量程下限，所用的传感器有准确的输出信号；2）当温度变化时，传感器的输出信号有很明显的变化，即测量灵敏度高；3）在测温仪的量程上限，传感器工作在非饱和区。这几点都与波长的选取有关。由(4)式也可以看出，比值 R 与温度及参数λ₁、δλ₁和λ₂、δλ₂有关。为便于研究，对式(4)进行简化，设λ₁＝λ₂＋λ，δλ₁＝δλ₂其中 λ为两波长间隔，δλ滤波片为带宽。然后通过数值计算的方法确定系统的最佳参数。