一种可同时测量发射率及温度的被动式测温系统

　　1　引　言

　　辐射测温法分为主动式辐射测温法和被动式辐射测温法两类[1,2]。在主动式辐射测温法中,由于使用了激光源或红外源作为辅助测量光源[3~5],因而都能实时测出待测目标的温度,且都具有较高的精度。被动式辐射测温法又可分为单波长、双波长及多波长辐射测温法三种[6,7]。由于目前的单波长或双波长辐射测温法不能测出待测目标的发射率,因而往往都有较大的测温误差。本文所述的测温仪器采用了PIN硅光电二极管作光电转换器件。由于使用了反射镜与之配合,因而可以“被动地”同时实现发射率及温度的测量,且具有较高的测量精度。

　　2　仪器结构与测温原理

　　2·1　测量原理

　　如图1所示,反射镜与探测器对称地置于待测表面法线的两侧。当反射镜不起作用时,探测器接收到的辐射能P1为

式中:D为光瞳口径,f′为光学接收系统的焦距,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,Lλ为温度为T的黑体在波长λ处的辐射出射度,τλ为光学系统对波长为λ的光的总透过率。

　　当反射镜起作用时,反射镜将红外辐射反射回待测区域的单色辐射能为

　　并结合式(1)或式(2),即可求出待测表面的温度。式(6)中,h为Planck常数,k为Boltzmann常数,c为光速。

　　2·2　仪器结构

　　该仪器主要由光学接收系统、信号放大与处理系统及显示系统三部分组成。工作时,接收镜头接收到的光信号(P1、P2),经窄带干涉滤光片滤光后,再经由PIN硅光电二极管构成的光电转换系统转换成电信号。该信号经前置放大、选频放大、脉宽压缩、模-数转换后送入8031单片机系统进行数据处理,计算出待测表面的发射率及温度。

　　电路中所需的各种触发与同步信号,均由同步光电系统产生:透过调制盘上镶嵌的同步滤光片的光信号,先经光电转换系统转变成电信号,再经整形放大后送入8031单片机,适当延时后分别去触发、同步各个需要触发和同步的信号。

　　调制盘的结构简图见图2。其中1、2、4号窗口贴的是波长为0·80μm的窄带干涉滤光片(带宽20nm)。3号窗口贴的是波长为1·00μm的滤光片,带宽约0·1μm(无严格要求)。5、6号窗口贴的是波长为1·00μm的滤光片(带宽也无严格要求)。调制盘的转速为1 200 r/min。

　　调制盘的具体调制情况如下:(1)当待测表面的光辐射透过3号窗口到达反射镜、并由反射镜反射后再次穿过3号滤光片回到待测区域时,1号窗口正对探测器。对于这种情况,反射镜不起作用。这是因为透过3号滤光片后又回到待测区域的光的中心波长为1·00μm,带宽约0·1μm。而1号窗口只能通过中心波长为0·80μm、带宽仅20 nm的光,因此探测器接收到的仅是“直射”能(P1);此时,由5号窗口透过的光辐射形成触发、同步信号;(2)当待测表面的光辐射透过4号窗口到达反射镜、并由反射镜反射后再次穿过4号窗口回到待测区域时,2号窗口正对探测器。对于这种情况,反射镜起作用。探测器接收到的是“直射”能与“反射”能之和(P2);此时,由6号窗口透过的光辐射形成触发、同步信号;(3)当待测表面的光辐射透过1号窗口到达反射镜时,3号窗口正对探测器。情况与(1)类似,不同的只是探测器接收到的是波长为1·00μm的光辐射。后续电路虽对该信号进行放大处理,但因模-数转换电路没有触发信号和同步信号,因此不对其进行模-数转换;(4)当待测表面的光辐射透过2号窗口到达反射镜时,4号窗口正对探测器。情况与(3)类似,不同的只是探测器接收到的是波长为0·80μm的光辐射。后续电路虽对该信号进行放大处理,但同样因模-数转换电路没有触发信号和同步信号,故不对其进行模-数转换。