光纤式20波长辐射高温计的研制

    引言

    随着人们对高温及超高温目标真实温度及热物性测量技术领域研究的不断深入，多光谱辐射测温技术在近年来得到了迅猛发展。1982年，欧共体Babelot及美国ohse等人^[1]研制成功6波长高温计，用于对材料热物性的快速动态测量;1986年，欧共体及美国联合课题组的Hiemaut等人^[2]应用6波长高温计对钨、担、铝等金属的熔点温度和光谱发射率进行了测量;1992年，eezairliyan等人，^[3]用更高速的6波长高温计对脉冲加热下的妮金属试样的亮度温度进行了测量;2002年以来，范毅等人^[4]用8波长高温计对多个金属试样的真温及光谱发射率进行了测量。

    就目前多光谱辐射温度计的研究现状而言^[5一7]，由于利用棱镜分光技术研制的高温计克服了传统温度计的众多弊端，并经孙晓刚等人^[8]在数据处理等方面的不断努力，目前己经实现了对大多数工程材料目标真温及光谱发射率的准确测量，使得这项技术日趋成熟。鉴于多波长高温计在脉冲加热热物性测量技术上取得的成功应用经验，本文研制出了20波长高温计，并在稳态高温热物性参数测量上得到了应用。

    1数学模型的建立

    考虑多波长高温计有n个通道，其中第i个通道的输出信号s_i，可表示为^[9]:

式中:K;为该通道的几何因子，它与该波长下探测器的光谱响应率、光学元件透过率及几何因素有关，可以通过标定得到;ε(λi，T)为目标真实温度为T时的光谱发射率c1，c2。.、。:分别为第一和第二辐射常数;λi为该通道的有效波长。

    为了处理方便，可以用维恩定律来代替普朗克定律，则((1)式可改写为:

    目前，使用最广泛的曲线拟合方法主要有最小二乘法、求解方程法和二次测量法，考虑到这套温度计要进行独立的数据采集和参数计算，本文采用了最小二乘法对曲线进行拟合。最小二乘法是选取观测点残差的加权平方和作为目标函数，如果Xi，Yi的测量误差可以忽略，观测点i的残差探定义为观测值与理论值之差，即:

    2高温计的总体结构设计

    这套温度计的总体结构和以前所设计的多波长高温计^[11]大致相同，主要包括棱镜分光光学系统、红外传感器阵列、前置级放大电路、采样保持器、数据采集系统几部分，不同之处主要是使用了光学光纤对光学探头汇聚来的辐射能进行长距离传输至光学处理部分，这样做的好处是降低了高温计在与热物性测量装置相配套时的安装难度，提高了测量的便利性，在增强高温计对测量环境适应性的同时降低了空间电磁场对温度计电子设施的干扰。但由于光纤太长  (巧m)，因此对传输的光学信号有损耗，直接对传感器接收到的信号强度产生了很大影响。为此，在对传感器输出信号的处理上，本文设计了基于OP37和ICL7650的差动放大电路对传感器输出信号进行放大。数据采集模块采用的是PC 104总线镶嵌式Diamond-MM-16。它具有16位分辨率、输入电压幅值可编程、可以快速循环采集电压信号，且最快采样速率可达10000次/s等优点，与自动电压量程切换电路相结合使用，完全可以满足不同温度下模拟输出的灵敏度的要求，并能够保证高温计在测温下限  ( 8000C)时也有足够的分辨力。对于本文所设计的温度计而言，可计算出最大测量温度分辨率为0.04120C。