基于波长函数的辐射温度计一点标定法及其精度的理论估计与实验验证

　　1　引言

　　辐射温度计的标定技术,在某种意义上比其仪器本身的制造技术更重要。因为在某些情况下,由于标定方法及标定精度的限制,辐射温度计的使用范围和测量精度受到极大的限制和影响。由于温度源及时间的限制,目前尚不能对辐射温度计量程内的每一温度点进行标定,在2500℃(有时可至3000℃)以下温区广泛采用整百度点(可调温度源,如钨带灯、调温式黑体炉等)或几点(系列定点炉)标定法〔1,2〕,通过内插或拟合可得到标定方程(即每个温度点的标定值);而对于温度源无法达到的温区,如3000℃以上,就只能采用外推或衰减玻璃办法来标定。这些方法存在的缺点是:①标定过程复杂、时间长、耗人力、能源大;②对于无源温区精度损失大,特别是在进行高温、甚高温测量时,测量误差主要来源于标定,这就阻碍了辐射温度计在高温、甚高温区的应用。

　　1988年P.Coppa等〔3〕提出了辐射温度计波长函数的概念,并建立了窄带辐射温度计波长函数的测量装置。测量目的并不仅限于通过它获取高温计的有效波长,还在于它是仪器的本征特性,如果已知了这个特性,再在一参考温度点上进行标定,那么通过解积分方程就完全可以找到测量温度与高温计输出信号之间的关系,即高温计的标定方程。我们把这一由已知辐射温度计波长函数和一个参考温度点而得到辐射温度计标定方程的方法称为一点标定法。

　　2　一点标定法

　　一点标定法最初常常使用在基准级标准器的标定中,人们往往采用有效波长或参考波长概念来标定仪器〔4〕,但有效波长(或参考波长)不是仪器的本征函数,它还与标定温度间隔有关,使用起来不甚方便。考虑一窄带辐射温度计,仪器输出信号为:

式中,P(λ,Τ)是波长λ和温度T的Planck函数;τ(λ)是光学系统的光谱透过率;σ(λ)是探测器的光谱响应率;Δλ是带宽;G是仪器的几何因子,它与目标尺寸、仪器入瞳等因素有关,可以通过标定获得。σ(λ)·τ(λ)定义为φ(λ),称为高温计的波长函数:

　　从式(3)可知,当φ(λ)已知,给定T值即可通过计算机精确地计算出S(T)值,给定一系列T值即可得到一系列的S(T)值。这说明S(T)和T之间的对应关系是可知的。而这一对应关系恰恰就是温度计的标定方程。虽然这一标定过程从理论上讲是完全可以实现的,但真要把这一方法付诸实用,还必须解决以下几个问题:(1)波长函数的测量误差对标定结果有多大影响? (2)参考温度点选取及参考温度点误差对标定结果有何影响? (3)工作波长的大小对标定精度影响如何?本文在下面章节中将着重对一点标定法的精度作定量分析。