双波段比色精确测温技术研究

摘 要

双波段比色精确测温是红外测温的一种，可以比较精确的测量出物体的温度。本文首先介绍红外测温和双波段比色精确测温的系统结构和原理，包括温度结果的计算的过程；然后介绍了比色测温实验平台的设计和测温系统的标定方法；文章最后做了实验分析，同时对文章做了小结。

【关键词】双波段 比色测温 技术

1 红外图像测温系统构成

红外测温仪是通过测量物体的红外辐射进而测定温度的，我们知道红外线是肉眼看不见的，而且任何温度在绝对零度以上的物体都会发射红外辐射，红外测温是将红外光转换成肉眼可见的图像，并能直接转化成其他形式的型号或者直接在显示屏中显示。红外测温系统主要由光学系统、探测仪、信号处理器和显示器组成，首先是光学系统对接受到的红外辐射光线进行处理，再通过红外探测仪利用光电转化的手段转化为电信号，然后在对电信号进行处理，最终可直接在显示器上显示被测物体的温度。

比色测温是利用两个相邻狭窄波段内辐射强度的比值测温。该法采用波长窄带比较技术，根据维恩偏移定律，当温度增高时绝对黑体的最大单色辐射强度向波长减小的方向移动，使两个固定波长的亮度比随温度变化，通过这一规律就可测量温度。比色测温光学系统中包含斩波器和滤波器等光学元件，斩波器相当于开关，控制光路的通断，另外它可以减少噪声，提高信噪比。比色测温的重点元件则是滤光片，在理论上通过更换滤波片就能实现宽波段非接触精确测温，本次研究选用的滤光片的中心波长分别为8600nm和12600nm，滤光片都是通过国家标准装置精确测量过的。

2 双波段比色精确测温原理

红外测温显示的温度值实际上是通过函数计算出来的。首先通过研究物体的属性我们发现物体的温度和其热辐射存在着函数关系，而一切物体的温度都是因为其向外辐射电磁波产生的。红外测温有多种方法，包括单色法、比色法、全福射法等。比色测温法是通过测量两个波长范围辐射量比值来求取目标辐射源真实温度的方法，可大大减少由于发射率估计不准确带来的温度误差。

探测器在波长处接收到的辐射功率Pλ为：

其中：Rλ为探测器光谱响应度；τλC为前置光学系统透过率；τλf为带通滤光片透过率；A为探测器接收到的辐射源面积。在特定温度T下，积分波段[λ1，λ2]内探测器接收到的辐射功率P1为：

同理，积分波段[λ3，λ4]内探测器接收到的辐射功率P2为：

若假定两个带宽内目标源的发射率不发生变化，且探测器接收到的辐射源面积不发生变化，则探测器在两个不同带宽内接收到的辐射功率P1和P2的比值为：

由上式可看出，只要准确测出不同滤光片下探测器接收到的目标源辐射功率P1和P2，透镜及各滤光片的光谱透过曲线透过率为τλC1、τλC2、τλf1和τλf2，测量并拟合出探测器在不同波段（滤光片透过光谱）下的光谱响应度Rλ和Rλ′，求解上式即可准确得到一组滤光片下目标辐射源的温度T。

3 比色测温实验平台设计

双波段比色测温装置可分为聚光系统、斩波器、滤光系统、探测器、信号处理系统几个部分。实验过程可以简单描述如下：信号由被测物体产生，通过聚光系统增加红外光的强度，在通过斩波器和滤光器选择固定波长的光线，接着由探测器完成光信号的接收和光电信号的转化，在通过处理器输出电压信号或其他形式的信号。最终的信号电压值两两作商，得到比值Z（T），再通过上述公式可求出被测物体的精确温度。

4 比色测温实验系统的标定方法

标定实验装置通常由高温黑体炉、CCD摄像机、以及计算机组成。黑体炉集成了PID调节器用来调节温度。传感器将接收到的靶子辐射出来的光波以电信号的形式与设置好的定值器信号作比较，若有偏差则会产生偏差信号，此信号经PID调节器传输给可控硅触发器，此时触发器产生脉冲触发可控硅元件工作。

标定步骤：

（1）连接并启动图像测温系统，设置系统参数；

（2）启动黑体炉先进行预热，同时设定好温度值；

（3）调整摄像机焦距和相对位置以获得清晰影像；

（4）当黑体炉的PID温度稳定后调节摄像机使其在非饱和区成像也清晰；

（5）根据实验需求设定积分时间拍摄；

（6）设定下一个PID温度点；

（7）重复以上4～6步骤，至完成所有标定温度点测量；

（8）处理数据。

5 双波段测温系统的实验分析

本实验使用的是美国SBIR公司开发研制的面源黑体，可以同时完成温度的测定和误差分析。通常将温度间隔设定在10℃，通过带入函数计算可得出精确度不同的结果。在探测器与黑体相距75cm，与平行光管相距55cm，与聚焦透镜相距6.5cm的情况下。用宽波段双比色测温实验系统平台对800～3500℃范围内的热辐射进行温度测量，用示波器显示辐射电压值。

中心波长为8600nm的滤光片与中心波长为12600nm的滤光片比值在理论和实验曲线趋势上比较一致，说明以中心波长为8600nm和12600nm的两种滤光片测量温度是比较合适的，此时系统稳定性相对较好，测温精确度也比较高。

现代工业飞速发展，对温度的测量和监测应用是分广泛，而且对温度的测量要求更加快速、精确和便捷，测温范围也希望更加宽泛，而双波段比色测温就是适应新的发展需求的测温手段，在以后的实际应用中一定可以发挥其功用。

参考文献

[1]李亚梅.比色测温系统的实现[J].中国民航飞行学院学报，2010（04）.

[2]邢冀川，刘广荣，金伟其，何玉清.双波段比色测温方法及其分析[J].红外技术，2002（06）.

[3]李云红，王瑞华，李禹萱.双波段比色测温技术及实验测试[J].激光与红外，2013（01）.

作者单位

中国航天空气动力技术研究院 北京市 100074