一种被动式辐射测温系统的波长及其带宽设计

介绍了采用PIN硅光电二极管作光接收器件实现的一种被动式实时测温系统。该系统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。从系统的相对测温灵敏度及探测器的温度分辨力与波长间的关系出发,结合大气对红外辐射的透射特性,确定了系统的工作波长;从系统的抗反射辐射能力出发,并结合探测器的最小可探测光功率要求,确定了系统的波长带宽。从P1、P2的测量不确定度出发,讨论了待测目标的发射率及温度的测量精度。结果表明,当λ=0.80μm、Δλ=20nm时,在测温范围600~2500℃内,系统的测温不确定度优于0.3%,满足设计要求。     

炸药爆轰温度的瞬时多光谱测量

从多光谱测温的基本原理出发,对瞬时多光谱爆温测量装置的工作原理、系统结构、爆温计算以及测量过程中可能引入的误差和进一步提高测量精度的方法进行了阐述和分析.利用该装置对液体炸药硝基甲烷的爆温进行了实际测量,取得了满意的测量结果,其爆温为3672 K,扩展不确定度为100 K(k＝2),该温度下的光谱发射率为0.69.     

一种被动式单波长实时测温系统的优化设计

基于Kirchhoff定律,利用一面反射镜,设计了一种可同时测量发射率及温度的单波长实时测温系统.从系统的测温灵敏度、相对测温灵敏度、探测器的温度分辨力及系统的测温标准差与波长的关系出发,并结合大气对红外辐射的透射特性,优化了系统的工作波长; 从系统的抗反射辐射能力与波长带宽的关系出发,并结合探测器的最小可探测光功率要求,优化了系统的波长带宽.实验结果表明,当λ=0.80 μm、Δλ=20 nm时,在测温范围600~2 500℃内,系统的测温不确定度优于0.3%.     

连铸坯表面发射率的测量研究

铸坯表面发射率是影响铸坯表面温度测量的一项重要的物理参数。利用辐射能比较测量发射率的方法,研制了一套高温铸坯发射率测量装置,其主要由加热系统、角度旋转系统、温度检测系统、真空控制系统以及背景辐射屏蔽系统等5部分组成。利用该装置测量了GCr15钢在不同角度、不同温度及不同氧化程度下的表面发射率。研究表明:角度增加对发射率的影响具有先增大后减小的变化规律;发射率会随着氧化程度的加深而变大,并且发射率极值点所对应的角度逐渐减小;随着温度的增加,发射率会随之增大,但是当温度超过1000℃后,其对发射率的影响较小。当温度为1000℃以上时,深度氧化的GCr15钢发射率的最大不确定度为0.0205。     

纯钨红外光谱发射率特性研究

光谱发射率是一个重要的热物性参数,在辐射测温、热传输计算等领域有着广泛的应用。钨作为一种重要的金属,关于其光谱发射率的研究报道较少。利用黑体炉、傅里叶红外光谱仪、加热装置和光学系统搭建了一套能量对比法光谱发射率测量装置,该装置能够测量3~20μm的光谱发射率,测量装置的整体不确定度优于5%。利用该装置测量了纯钨在4个温度点(573, 673, 773和873 K)的法向光谱发射率,重点探讨了氧化、温度、波长和加热时间对纯钨光谱发射率的影响。研究结果表明:纯钨在表面未氧化的情况下,光谱发射率在几个温度点的变化规律基本一致,且数值相差较小,而当其表面发生氧化后光谱发射率迅速增加,在某些波长处出现了强烈的振荡。表面未氧化时纯钨的光谱发射率受温度的影响较小,随着温度的增加仅出现微小的增加,但是当表面发生氧化后,随温度的升高而迅速增大。纯钨的光谱发射率整体上随着波长的增加而减小,但是当表面发生氧化后,由于表面氧化膜与钨金属基底发生干涉效应,在4, 9, 12.5和16.5μm处均出现了峰值。在573和673 K,纯钨的光谱发射率随着加热时间的增加无明显变化。然而,随着温度的升高,在773和873 K时,光谱发射率随着加热时间增加而增大,在773 K时光谱发射率随加热时间的增加增幅较大,因为在该温度点,纯钨表面刚开始发生氧化,氧化速率较大,在873 K时光谱发射率随加热时间的增加增幅较为平缓,并且随着加热时间的增长呈现稳定的趋势。综上,纯钨的光谱发射率在温度较低和表面未氧化时较为稳定。随着温度的升高,当表面发生氧化后,光谱发射率迅速增大,并且在多个波长位置出现了强烈的振荡。由此可见,纯钨光谱发射率受温度、波长、加热时间的影响较大,在实际应用过程中,特别是在辐射测温过程中,如果把纯钨的光谱发射率看做常数将会带来较大的测量误差。该研究将进一步丰富钨的光谱发射率数据,并为其在科学研究和应用中提供数据支持。     

300～1123K铜红外光谱发射率特性研究

基于基尔霍夫定律,利用砷化镓(GaAs)半导体激光器作为标准光源研制了一种能够准确实时测量不透明物体光谱发射率的反射式测量装置。利用该装置在300~1 123K之间对黄铜和紫铜两种样品在波长1.55μm处的光谱发射率进行了系统的研究,探讨了温度、氧化、加热时间等因素对两种铜样品光谱发射率的影响。实验结果表明:黄铜和紫铜的光谱发射率均随温度的升高而增大,并且紫铜的光谱发射率始终大于黄铜的光谱发射率,两种样品随温度的光谱发射率曲线均出现了峰值和谷值。通过分析有氧化膜时金属表面的反射模型,得到了金属表面氧化膜厚度的计算公式,并利用该公式估算了紫铜发射率出现峰值和谷值时氧化膜的厚度。恒温长时间测量结果表明:光谱发射率随加热时间出现小幅增大,2h后,由于样品表面氧化达到一定程度,氧化速率开始变缓,样品表面的光谱发射率也随之开始趋于稳定。样品在较高温度处的光谱发射率数值始终大于较低温度处的发射率数值。该研究进一步丰富了铜的光谱发射率数据,并为其光谱发射率的应用提供了实验依据。     

用于定标海表测温辐射计的镓黑体辐射源

设计了镓黑体对海表测温辐射计进行定标。首先,介绍了该黑体的结构与工作原理,对黑体发射率进行仿真,并开展发射率的测量实验,讨论其不确定度的来源。然后,开展了电加热和水浴加热下镓的相变复现实验,讨论电加热功率对镓相变复现的影响。最后,通过红外海面温度自主辐射计实验对该黑体进行验证。结果表明：该黑体基于蒙特卡罗软件仿真的发射率优于0.998 8,实验测得的黑体辐射源发射率结果与仿真结果较为吻合,测量重复性（标准偏差）达0.1%;相变温度坪台的复现性均优于±0.03 K;相变温坪附近时,红外海面温度自主辐射计和FLUKE 1524测温仪测得的黑体腔附近温度的数据差值均在±0.15 K以内。设计的镓黑体可以应用到海表测温辐射计进行校准,为发展自主知识产权的海表测温设备提供校准源。     

光谱发射率测试方法的不确定度分析

光谱发射率是材料重要的热物性参数之一,具有重要而广泛的应用需求。基于调制辐射源加热的光谱发射率测试方法能够实现材料高温光谱发射率和温度的同时测量,克服了传统测试对高温样品温度准确测量的依赖性。为研究和提高基于调制辐射源的光谱发射率测试方法的适用性,论文开展了测量反问题的数值模拟验证分析,研究分析了样品表面光谱发射率范围、温度范围和测量噪音等条件对光谱发射率测量不确定度的影响,并对光谱发射率反问题求解的数值不确定度与理论不确定度进行了定量评估。     

炸药爆温的光纤测温法测量

本文阐述了光纤测温技术依据的原理,给出了多通道瞬时光纤测温装置的构成。利用该装置对液体炸药硝基甲烷的实际爆轰温度及其光谱发射率进行了实验测量,结果分别为3700±100（K）和0.71±0.15。     

基于辐射加热源的材料高温发射率测量方法

材料高温辐射特性参数是量化研究热输运过程中的基本参数。本文将高能流太阳能聚集模拟器引入到材料高温发射率测量中,利用高能流太阳能聚集模拟器产生的可见光及近红外光谱辐射直接对样品进行加热,建立了材料中红外波段的高温发射率测量方法,避免了常规测量中封装窗口及高温炉体自身光谱辐射对测量的影响。基于该方法,采用红外热像仪、FTIR光谱仪等设备,搭建了实验平台,理论上可实现1700 K以内的样品发射率测量。采用该装置对某型钢进行了实验测量,获得了材料7~25μm波段内不同温度下的发射率曲线。     

锶原子光晶格钟黑体辐射频移评估

在中性原子光晶格钟的系统不确定度评估中,通常黑体辐射引起的频移是最大的一项.黑体辐射频移主要受周围环境温度的影响.针对国家授时中心的锶原子光晶格钟实验系统,通过理论分析、腔体表面温度的测量和软件模拟相结合的方法,评估了锶原子光晶格钟黑体辐射频移的修正量和不确定度.其中主要分析了锶原子炉、蓝宝石加热窗口、透过窗口片进入到真空腔体内的室温以及Zeeman减速装置对原子团处的热辐射引起的黑体辐射频移.在真空腔体外表面设置了5个测温点,利用校准过的铂电阻温度传感器监测真空腔体外表面的温度变化,用SolidWorks绘图软件建立腔体模型,通过有限元分析软件模拟出在真空腔体温度变化0.72 K时,原子团所处位置温度的波动为0.34 K.最终得到黑体辐射频移总的修正量为-2.13(1) Hz,不确定度为2.4×10~(-17).     

黑体红外波段辐射亮度响应的通用公式

以红外测温技术为背景,着重研究了f(T)=∫■R_λL_(bλ)(T)dλ≈CT~n模型,即某段波长范围内,黑体辐射在探测器上引起的响应,称其为黑体波段辐射亮度响应。对于不同的探测器,不同的波长区间,不同的温度范围,有不同的C及n。n值难以准确获取,多数研究者试验时使用Inagaki及Okamoto在1996年提出的三个固定波段模型,不能很好的扩展到任意波段的探测器。通过使用"维恩近似公式"代替普朗克公式,从理论上推导出f(T)的解析式,得到了黑体波段辐射亮度响应的通用公式,从而能够通过理论计算的方式,求取任意波段内黑体波段辐射亮度响应f(T)。使用黑体波段辐射亮度响应的通用公式进行了两项仿真工作。一是将通用公式在全波段内进行积分,得到解析式M_(bb)=5.238 5×10~(-8)T~4,并与斯蒂芬玻尔兹曼定律对比。通用公式求得的系数σ′=5.238 5×10~(-8)与斯蒂芬玻尔兹曼常数σ=5.667 9×10~(-8)差值为0.429 4×10~(-8)。二是使用通用公式计算出8～13μm波段内黑体波段辐射亮度响应f(T),并绘图与Inagaki及Okamoto文章中的拟合结果f(T)≈0.136σT~(4.09)进行对比,结果曲线基本一致。两项仿真说明了通用公式的正确性,在此基础上,进一步进行实验验证。以实验室内面源辐射体为目标,根据所提出的通用公式,计算被测目标的发射率ε,并将之与目标发射率参考值ε_0对比。面源辐射体实验结果:■为参考值,■为测量值,发射率误差为0.01。实验误差较小,说明所提出的通用公式可用于红外测温的工程实践中。通用公式与原模型f(T)≈CT~n相比,最大的优势在于可以在任意波段内,不需考虑温度分区,通过理论计算的方式,求取黑体波段辐射亮度响应f(T),具有通用性。黑体波段辐射亮度响应的通用公式进一步完善了红外测温技术的基础理论。     

基于发射率缓变特性的光谱发射率反演研究

发射率是辐射测温的重要参数,基于普朗克定律,针对辐射测温中n个方程,n+1个未知数这一病态方程组问题,利用发射率的缓变特性提出一种新的计算方法,以此来减少未知数的个数,简化计算过程。对该计算方法进行了理论及实验验证。结果表明无论是基于理论热辐射谱还是实验数据,均能反演出与材料发射率线形一致的发射率谱及材料真实温度,当T=1 173 K时,反演所得温差最大13 K,发射率的最大绝对误差0.05;且缓变程度越大,波长间隔越小,计算的准确度越高。所述方法可应用于基于多光谱数据提取温度和发射率。     

白铜热氧化过程中光谱发射率特性研究

随着科技的发展,工业领域对白铜产品质量的要求日益提升;利用辐射测温技术对白铜在冶炼和加工时的温度进行精确测量,是决定产品质量的重要手段,因此研究白铜的光谱发射率特性就显得尤为重要。基于傅里叶红外光谱仪搭建的光谱发射率测量装置,测量了白铜在四个温度点（673,773,873和973 K）,波长范围2～22 μm内的光谱发射率,分别研究了波长、温度、加热时间和氧化对白铜光谱发射率的影响。研究发现,在氮气环境下白铜的光谱发射率随温度的升高而增加,随波长的增加而减少。当白铜暴露在空气环境中,随着温度的升高,其光谱发射率迅速增加。673 K时,白铜表面生成一层细微的氧化物颗粒,阻止白铜进一步氧化,这些氧化物颗粒的光谱发射率大于白铜基底,所以此温度下短波处的光谱发射率略微增加。773 K时,白铜表面氧化物的主要成分是Cu₂O,在实验过程中也观察到白铜表面逐渐变红的现象,这也是白铜在773 K温度下其光谱发射率迅速增加的原因。873 K时,白铜表面氧化物的种类和含量明显增多,氧化膜的厚度满足干涉效应条件,在白铜的光谱发射率曲线中可以明显地观察到干涉极值的演变,随着加热时间的增加,干涉极值逐渐向长波移动。随着温度的升高,白铜的抗氧化能力下降。973 K时,白铜表面的氧化程度最深,在XRD图中氧化物的峰值也最大,因此氧化1 h后由于干涉效应产生的干涉极值数最多。综上所述,波长、温度和氧化对白铜的光谱发射率有重要的影响,在运用辐射测温技术测量白铜温度时应充分考虑上述因素的影响。该研究丰富了白铜的光谱发射率数据,为辐射测温提供了真实可靠的数据支撑。     

自校准多通道红外辐射计的设计与性能测试

为满足遥感器热红外波段自动化观测定标的需求,研制了具有自动化观测能力的自校准多通道红外辐射计。该设备需具有以下特色功能:1）采用电机驱动镀金反射镜的设计,实现0°～90°仰角的大气下行辐射和地表辐亮度的测量,为消除大气下行辐射对反演地表温度的影响提供了技术手段;2）采用滤光轮分光的方法实现了6个光谱通道的自动设置,结合多通道温度与发射率分离算法可以实现场地温度与发射率的分离,为卫星遥感器热红外波段绝对辐射定标提供了2个关键因子;3）采用内置2个控温精度分别优于0.04 K和0.05 K、发射率均高于0.994,稳定性均优于0.0014的黑体实现内部探测器的实时辐射定标,有效地消除了内部背景辐射对辐射测量的影响,定标不确定度小于0.167%。等效测温不确定度为0.2 K（@303 K, 11 μm）,为遥感器热红外波段场地自动化定标应用的开展奠定了基础。     

带通红外比色滤波测温技术研究

提出可精确测量中低温物体温度的带通比色滤波测温理论,利用该理论,搭建了相应的实验装置。对装置所用的器件进行精确标定,并利用数值函数对测试得到的离散点数据拟合后,用面源黑体在５０℃～４００℃范围对该实验装置进行了测温实验验证,实验结果表明,该实验装置在不需知道目标发射率的情况下,能精确测量物体的真实温度,因此,验证了提出理论的正确性与所建立测温系统的可行性,对中低温物体真实温度的测量研究具有重要意义。     

小型传导冷却低温系统热分析与实验研究

传导冷却型低温系统中,各结构组件间的热平衡过程是以固体间热传导的形式向制冷机实现热量传递。由于各冷却部件降温条件的差异,会导致系统内部温度分布不均匀,影响被测样品性能测量,需对系统结构开展热分析与实验研究。借助ANSYS软件,建立了小型低温系统三维模型并进行了热分析,结果显示,预期系统最低温度为2.38 K,冷屏最大温差不超过1.0 K,样品台最大温差不超过0.1 K。同时,采用一套2.2 W@4.2 K双级制冷机作为冷源,完成了低温系统降温与精准控温实验。实验结果表明,冷屏误差不超过1.5 K,样品台误差不超过0.01 K,与模拟分析结果吻合良好,满足系统要求,验证了传导冷却低温系统热分析方法的准确性以及实验装置测温的可靠性,为类似装置的热分析及其设计提供了参考。     

激光制造中双光谱测温法发射率的补偿优化

为进一步提高温度测量精度,以激光照射下普通钢的熔池为研究对象,通过对发射率模型的合理假设,实现了双光谱测温系统的补偿优化。测量结果显示,针对普通钢的温度测量时,发射率采用指数模型可以取得很好的测量效果,测量误差在4%以内。同时,在同一种测量条件下将优化后的测温法与传统的比色法测温进行精度比较,证实与比色法相比该方法的误差显著减少。通过对数据处理的误差做定量分析,得出其误差在13~25 ℃之间。     

锗单晶体变温霍尔效应实验数据的处理

采用微机控制和数字式数据采集系统,在变温环境下(77~420 K)对长为6.0 mm、宽为4.0 mm、厚为0.6 mm的锗样品薄片进行霍尔效应相关数据测量;通过对测量的霍尔电压作数据处理得到锗的霍尔系数RH(T)、电导率σ(T)和霍尔迁移率μH(T)与温度的依赖关系.该实验结果对学生理解半导体物理中的相关知识有重要意义.     

利用激光并采用热释电探测器实时测量比辐射率及温度的系统

设计了一种利用半导体激光器InGaAs/I作为光源 ,采用钽酸锂热释电探测器作为光接收元件 ,以 80 31单片机为核心的中、高温物体比辐射率及温度的实时测量系统。该系统主要由光学发射与接收系统、信号放大与处理系统和显示系统三部分组成。文中还介绍了该系统的基本原理及结构 ,分析了其中的技术难点及其解决方法 ,讨论了系统的灵敏度、比辐射率与温度的测量精度。分析表明 :对 42 7℃的抛光钢铸件而言 ,系统的最小鉴别温差为 0 32K ,比辐射率的测量精度σελ=6 5× 10 -3 ,|σελ/ελ|=1 2 0 % ;温度的测量精度σT =1 0 6K ,|σT/T|=0 15 2 %。