一种新的多色比色测温方法及系统实现

　　引　言

　　温度是一种重要的计量参数,在工农业、国防事业、航天航空业、科研和日常生活都离不开对温度的测量。高温测量时,采用传统的用热电偶进行接触式 测温的方法需要大量热电偶,导致生产成本的增加,且不能测量移动或旋转的物体。而传统的辐射测温系统一般只是对发射率做简单的假定,不能实时求出或处理发 射率,所以测温的精度不高。

　　本文在前期研究开发的双色比色测温仪[1]的基础上,进行了基于USB采集系统的多色比色测温仪的设计。所研制的多色比色测温系统以内调制光电 探测器[2]作为光电探测的单元,采用多波长比色方法动态处理被测物体的发射率,使用USB[3]数据采集系统进行数据采集,用PC机作为上位机进行自适 应处理。内调制光电探测器能将光信号直接转换为受调制的正弦交流电信号,克服了传统直流电信号放大的困难,为提高系统信噪比和可靠性奠定了基础;USB具 有较高的传输速率,支持“即插即用”和“热插拔”,使用方便,提供了控制传输、同步传输、中　　断传输、批量传输四种数据传输模式以适应不同设备的要求, 因此非常适合作为测温仪与PC之间的通信接口。

　　实验结果表明,测温系统利用先进的多波长比色方法,充分发挥CPU的数字信号处理能力和控制功能,动态地处理被测物体的发射率,较好地克服了冶 金在线测温中恶劣环境及被测物体发射率的影响,有效地提高了测温精度。采用USB接口使得测温器件易于与PC机相连组成整个多色比色测温系统,实现了现场 高精度的温度测量。

　　1　基本原理

　　辐射测温的原理是基于黑体辐射的普朗克(Plank)定理。从经典物理学的观点看,任何物体都会向外辐射能量,辐射能力的大小与物体的温度T、 物体材料的发射率ε有关。被测体的发射率与被测体本身温度和表面状况等因素有关,而且还是时间的函数,它是影响辐射测温精度的主要因素。

　　1.1　双色比色测温的方法

　　物体的比色温度简称色温是指如果黑体与实际物体在某一光谱区内的两个波长下的单色亮度之比相等,则黑体的温度为实际物体的颜色温度。用双色比色测温方法[1]测黑体所得光电流比为:

　　1.2　多色比色测温方法

　　假如用多色比色测温,(3)式可以改写成:

2　系统的结构设计

　　多色比色测温系统的结构框图如图1所示。

　　2.1　探测装置

　　探测装置由光学探头和前置器组成。为了提高对温度信号的灵敏度,光学探头采用透镜耦合方法。物镜按照一定的视场范围和角度接收被测目标的辐射通 量,并会聚耦合进多模玻璃光纤束,以完成被测物体辐射光线的采集和传输。前置器包括分色装置、滤光片、光电探测器和电信号处理器等部分。光学探头收集到的 热辐射信号经光纤传输至前置器,经由光栅与棱镜组合的分色装置分成四路不同的波的光信号,经过窄带滤光片,滤除其它波长的辐射和背景干扰辐射。光电探测器 采用内调制光敏管线列,能将光信号直接转变为交流电信号,克服了用一般常规光敏器件转换后的微弱直流电信号放大的困难。交流电信号通过电信号处理器采用选 频、放大、滤波等技术,增加了测试系统的信噪比,减少了后续电信号处理的难度。