CN108267240B

CN108267240B - 一种激光辅助辐射温度测量装置及测量方法

Info

Publication number: CN108267240B
Application number: CN201611257854.3A
Authority: CN
Inventors: 张步法; 倪亦萌; 郑鸿涛; 宋力昕
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2019-10-15
Anticipated expiration: 2036-12-30
Also published as: CN108267240A

Abstract

本发明提供一种激光辅助辐射温度测量装置及测量方法，该装置包括：激光器，该激光器用于在被测物表面照射强度调制的激光；光学系统，该光学系统用于辐射信号的传输，以及确定辐射信号中任两个波长不同的辐射信号；以及电子信号检测系统，该电子信号检测系统接收通过光学系统传输而来的两个波长不同的辐射信号后转换成两个电子信号，并将两个电子信号分别分离出直流信号和交流信号并进行检测和比较。根据本发明，能够改善现有技术中存在的上述困难，被测物表面温度测量不受材料辐射率的影响，且对激光及信号波长的选择没有限制。

Description

一种激光辅助辐射温度测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于辐射测温领域，涉及一种激光辅助辐射温度测量装置及测量方法。

背景技术

表面温度测量是工业生产质量控制和材料研究中常用温度监控手段之一，测量温度的方法主要分为接触和非接触两类。其中，非接触测温以普朗克辐射理论为基础，广泛应用于工业、农业乃至航天航空等高科技领域。辐射测温法具有非接触特性，不干扰被测物体表面温度场，人们通常选择辐射测温法测量物体表面温度。

根据普朗克定律，辐射信号强度取决于被测物体的表面温度、热辐射率和波长。常用辐射测温技术必须已知材料的热辐射率才可能准确求得物体表面的真实温度，而材料的热辐射率不仅取决于物体的组份和表面形貌等，还与其温度、所处的环境状态及探测波长有关，难以确定或在测量过程中变化。由于受到被测物辐射率，光路上介质散射、吸收和发光，温度仪环境温度变化等多种因素的影响，致使辐射测温精度较差，很难测到被测物表面的真实温度，成为当前辐射测温的难点和科技界主攻方向。

多年来，辐射测温技术得到了巨大发展，传统的辐射测温的方法大体有三种：亮度测温法、全辐射测温法和比色测温法。其中，亮度测温需要知道被测目标的辐射率，而由于辐射率的未知或在测量过程中变化，有可能给温度测量带来很大的误差。随后，在比色测温基础上，发展了多波长辐射测温技术。但为此而发展的双波长或多波长辐射测温技术同样不能满足实际需要，因为这些技术是建立在一些材料辐射率特性的假设上，有可能给温度测量带来更大的误差。因此，这些方法都无法完全消除辐射率的影响。

发明内容

鉴于现有技术中存在的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种激光辅助辐射温度测量装置及测量方法，能够改善现有技术中存在的上述困难，被测物表面温度测量不受材料辐射率的影响，且对激光及信号波长的选择没有限制。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种激光辅助辐射温度测量装置，包括：激光器，所述激光器用于在被测物表面照射强度调制的激光；光学系统，所述光学系统用于辐射信号的传输，以及确定所述辐射信号中任两个波长不同的辐射信号；以及电子信号检测系统，所述电子信号检测系统接收通过所述光学系统传输而来的所述两个波长不同的辐射信号后转换成两个电子信号，并将所述两个电子信号分别分离出直流信号和交流信号并进行检测和比较。

根据本发明，通过激光器利用强度调制后的激光对被测物表面进行局部加热，通过被测物对激光能量的吸收，在被测物表面附近产生交变温度。由辐射理论可知，被测物表面会相应地发出交流的辐射信号，因此，被测物表面发出的辐射信号含有直流和交流两部分。并且，通过电子信号检测系统对两个波长不同的辐射信号内的直流和交流部分进行检测，并将检测结果进行比较，借助于此可消除被测物辐射率和测量系统因子的影响，从而能够在材料辐射率未知的情况下，测定被测物的表面温度。

又，在本发明中，所述光学系统至少包括：将被激光照射后的所述被测物表面发出的所述辐射信号分成两个波段的辐射信号的分光片，以及分别在所述两个波段的辐射信号内确定所述两个波长不同的辐射信号的两个滤波片；所述电子信号检测系统至少包括：将所述两个波长不同的辐射信号转换成相应的两个电子信号的两个探测器，以及分别将所述两个电子信号分离所述直流信号和所述交流信号的锁相放大器。

根据本发明，分光片将入射的辐射信号分成两个波段的辐射信号，具体地，将一个波段的辐射信号反射，将另一个波段的辐射信号透射。滤波片在一个波段的辐射信号中确定一个波长的辐射信号，在另一个波段的辐射信号中确定一个波长的辐射信号。探测器用于将辐射信号转换成相应的电子信号，而由于在辐射信号中，激光产生的交流信号部分相比于被测物自身的直流信号部分较微小，因而使用所述锁相放大器，可以对交流信号进行相敏检波，从而更好地分离直流信号和交流信号，同时有效地改善测量后交流信号的质量。

又，在本发明中，所述激光器是部分或全部能量能被样品材料吸收的辐射能量源。又，在本发明中，所述激光器为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、染料激光器、X光能量源、经过调制的脉冲能量源中的至少一种。

根据本发明，选取的激光器具有功率大，稳定度高，体积小，价格低，使用便捷等优点。同时，相比于脉冲激光，使用连续激光所产生的温度变化较小，不易损害被测物，使测量系统在线性范围内工作，避免其非线性效应。又，在本发明中，可选择可见光波长，以具有便于调节和安全防护的特点。

又，在本发明中，所述激光器通过机械斩波器、声光调制器、电光调制器中至少一种实现激光的强度调制。又，在本发明中，所述光学系统中对所述辐射信号的传输通过光学器件或光纤实现。

根据本发明，由激光产生的交变温度远小于被测物本身的温度，且在远离被测物材料的相变温度时，材料的辐射率一般是温度的弱函数，通常由此引起的信号变化远小于温度产生的变化，可以忽略不计。

本发明还提供了一种激光辅助辐射温度测量方法，包括：对被测物表面照射强度调制的激光；将所述被测物表面产生的辐射信号中两个波长不同的辐射信号分别分离出直流信号和交流信号并进行检测；以及对测量出的所述直流信号和所述交流信号进行比较和处理，从而测定所述被测物表面的温度。

又，在本发明中，所述被测物材料为固体材料，且相对于所述激光是不透明材料。根据本发明，对所述被测物的表面状态没有限制。

又，在本发明中，所述激光能够在所述被测物表面产生0.1-10K的交变温度变化。

根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述内容及其它目的、特征和优点。

附图说明

图1为根据本发明一实施形态的激光辅助辐射温度测量装置的示意图；

图2为F函数随测量温度和探测器波长的变化曲线图；

符号说明：

1 光学系统；

11 抛物面反射镜；

12 分光片；

13 光学透镜或光纤；

14 滤波片；

2 电子信号检测系统；

21 探测器；

22 A/D数据采集器；

23 锁相放大器；

3 激光器；

4 电脑；

5 被测物；

Y 激光辅助辐射温度测量装置。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

图1为根据本发明的激光辅助辐射温度测量装置Y的示意图。针对现有技术中的问题，如图1所示，本发明特别提供了一种激光辅助辐射温度测量装置Y，包括光学系统1、电子信号检测系统2和激光器3。其中，使用激光器3在被测物5表面照射强度调制的激光，从而在被测物5的表面产生辐射信号S，该辐射信号S理论上包含全波长的辐射信号。

光学系统1通过分光片12将被测物5表面产生的辐射信号S分为两个波段的辐射信号，进而通过滤波片14在两个波段的辐射信号中分别确定两个波长分别为λ₁和λ₂的辐射信号，即得到波长为λ₁的辐射信号S₁和波长为λ₂的辐射信号S₂。

电子信号检测系统2接收通过光学系统1传输而来的波长为λ₁的辐射信号S₁和波长为λ₂的辐射信号S₂后，通过探测器21将其转换成两个电子信号E₁和E₂。随后通过锁相放大器23将电子信号E₁和E₂进行分离，从而得到相应的直流信号S_DC1、S_DC2(后文不区分两个波长时，直流信号统称为S_DC)和交流信号S_AC1、S_AC2(后文不区分两个波长时，交流信号统称为S_AC)，并通过公知手段检测直流信号S_DC1、S_DC2和交流信号S_AC1、S_AC2。随后比较和处理将检测出的直流信号S_DC1、S_DC2和交流信号S_AC1、S_AC2，从而测定被测物5的表面温度。具体处理过程后叙。

此外，如图1所示，光学系统1还包括抛物面反射镜11、光学透镜或光纤13、光阑(图示省略)等。其中，抛物面反射镜11和光学透镜或光纤13用于传输被测物5表面产生的辐射信号S，光阑用于限制被测辐射信号的检测区域，同时避免杂散光对信号检测的影响。

电子信号检测系统2包括：探测器21、锁相放大器23以及A/D数据采集器22。具体地，由光学系统1输出的波长λ₁和λ₂下的辐射信号S₁和S₂被探测器21转换后，再经由锁相放大器23分离出相应的直流信号S_DC1、S_DC2和交流信号S_AC1、S_AC2，随之被A/D数据采集器22采集并转换成数字信号输出至电脑4进行计算，最终得到被测物5的表面温度。

其中，由于在辐射信号S中，激光产生的交流信号部分相比于被测物5自身的直流信号部分较微小。因而，使用所述锁相放大器23，可以对交流信号S_AC进行相敏检波，从而更好地分离直流信号S_DC和交流信号S_AC，有效地改善交流信号的测量。

更具体地，通过激光器3将一束强度调制后的均匀连续激光照射在固体被测物5表面，部分激光能量被吸收，由此在被测物5表面产生一个交变的温度场，即，在被测物5表面产生交变温度T_S，被测物5的表面温度为T₀，当T_S<<T₀时，即当激光加热产生的交变温度T_S远小于被测物5的表面温度T₀时，交变温度T_S可由下式(1)表示：

这里，I₀为激光强度，f为激光强度调制频率，

为初始相位，G_E表示与被测物5参数有关的因子，包括被测物5形状、边界条件等。

本发明的温度测量系统基于普朗克(Planck)黑体辐射理论，理想黑体产生的辐射能量强度可由下式(2)表示：

这里，λ为辐射波长，T为黑体温度。c₁＝2πhc²＝3.7419×10^-16W·m²为第一辐射常数，c₂＝hc/k_B＝1.4388×10^-2W·K为第二辐射常数，h＝6.626×10^-34J·s为普朗克常数，c＝3×10⁸m/s为光速，k_B＝1.3806×10^-23J/K为波尔兹曼常数。

根据本发明，由于激光产生的交变温度T_S远小于被测物5本身的表面温度T₀，且在远离被测物5材料的相变温度时，被测物5的辐射率一般是温度的弱函数，通常由此引起的信号变化远小于温度产生的变化，可以忽略不计。

根据本发明，对于固体被测物5被激光加热的情况下，被测物5表面产生的辐射信号S可由下式(3)表示：

这里，λ为探测波的滤波片14的中心波长，△λ为滤波片14的带宽，T₀为被测物5的表面温度，T_S为激光加热产生的交变温度，ε为被测物5的辐射率，τ为被测物5表面至探测器21之间各光学元件产生的光学传输函数，例如，镜面反射率、透镜透过率和分光片12的有关因子等，H为探测器21的灵敏度，Ω为立体角，A为被测辐射信号S的检测区域面积。

当△λ<<λ时，通过一级近似展开，由下式(4)得直流信号S_DC的表达式：

S_DC(λ,T₀)＝ε(λ,T₀)·τ(λ)·H(λ)·Ω·A·Δλ·L_BB(λ,T₀) (4)

以及，由下式(5)得交流信号S_AC的表达式：

S_AC(λ,T₀)＝ε(λ,T₀)·τ(λ)·H(λ)·Ω·A·Δλ·α·I₀·G_E·L₁(λ,T₀) (5)

这里，

式(4)和式(5)的比值可以写为下式(6)：

即、将得到的直流信号S_DC和交流信号S_AC进行比较，借助于此，可以消除辐射率和装置Y中的测量相关的共同因子。

进一步，对两个波长λ₁、λ₂下的R_λ因子R_λ1、R_λ2作比值，可以消除吸收系数和激光功率等其他测量因子，得到仅与两个探测波长λ₁、λ₂和被测物5的表面温度T₀有关的F函数，可由下式(7)表示：

由上式(7)可知，通过测量的F值可以计算得到被测物5表面温度T₀。

从上述理论公式中可以看出，该装置Y不受辐射率影响，应用信号比较的方法，不仅可以消除辐射率，同时也消除了测量时其他参数的影响，减小测量误差。

综上，通过激光器3利用强度调制的激光束对被测被测物5表面进行局部加热，通过被测物5对激光能量的吸收，在被测物5表面附近产生交变温度T_S。由辐射理论可知，被测物5表面会因激光照射而相应地发出含有交流信号部分的辐射信号，因此，被测物5表面发出的辐射信号S中含有直流信号部分和交流信号部分。通过光学系统将被测物5表面发出的辐射信号S传输至电子信号检测系统2，并确定被测辐射信号S的波长分别为λ₁和λ₂的辐射信号S₁和S₂。

在电子信号检测系统2内对波长λ₁和λ₂下的辐射信号S₁和S₂进行分离，得到相应的直流信号S_DC1、S_DC2和交流信号S_AC1、S_AC2，同时进行检测。通过比较检测到的直流信号S_DC1、S_DC2和交流信号S_AC1、S_AC2，由此，可以消除被测物5辐射率和测量系统因子的影响，在被测物5辐射率未知的情况下，测定被测物5的表面温度。

其中，激光器3应选取功率大，稳定度高，体积小，价格低，使用便捷的类型。本发明中使用了连续激光，相比于脉冲激光，其产生的温度变化较小，不易损害被测物5，使测量装置Y在线性范围内工作，避免其非线性效应。此外，由于可见光波长便于调节和安全防护，因此激光器3的激光波长的选取应在被测物5表面能够有效吸收，即被测物5相对激光为不透明。照射于被测物5表面的激光束光斑的激光中心部分应均匀分布，且激光能够在被测物5表面产生较大的交变温度变化，例如，0.1-10K。

探测器21应选取灵敏度高，体积小，动态范围大，线性度好，噪声低，产品成熟，使用便捷的类型。例如，对于0.81μm的信号可使用硅光电二极管(Si)探测器，对于10.8μm的信号可使用碲镉汞光电二极管(HgCdTe)探测器。探测器21的探测波长应在探测范围内选取被测物5相对探测波长为非透明。滤波片14应选用质量可靠，技术成熟的产品，且滤波片14的带宽△λ应远小于其中心波长λ。

图2为F函数随测量温度和探测波长的变化曲线图，其中实线为λ₁＝0.81μm、λ₂＝10.8μm的情况，虚线为λ₁＝0.81μm、λ₂＝3.9μm的情况。由此可知，一对探测器21的探测波长λ₁、λ₂可分别根据测量温度范围选取，但间隔应足够大，使得F函数对温度有较高的灵敏度。例如，图2中实线为λ₁＝0.81μm、λ₂＝10.8μm的情况，F函数对温度的灵敏度较高，虚线为λ₁＝0.81μm、λ₂＝3.9μm的情况，曲线较为平缓，对温度的灵敏度较低，不适用本发明。

综上，采用本发明的激光辅助辐射温度测量方法，能够改善现有技术中存在的困难，温度测量不受材料辐射率的影响，且对激光及信号波长的选择没有限制。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims

1.一种激光辅助辐射温度测量装置，包括：

激光器，所述激光器用于在被测物表面照射强度调制的激光，从而在被测物的表面产生交流的辐射信号；

光学系统，所述光学系统用于辐射信号的传输，以及确定所述辐射信号中任两个波长不同的辐射信号；以及

电子信号检测系统，所述电子信号检测系统接收通过所述光学系统传输而来的所述两个波长不同的辐射信号后转换成相应的两个电子信号，将所述两个电子信号分别分离出直流信号和交流信号并进行检测，将所述直流信号和交流信号分别转换成数字信号输出至电脑，由所述电脑进行比较和处理，根据普朗克黑体辐射理论，测定所述被测物表面的温度。

2.根据权利要求1所述的激光辅助辐射温度测量装置，其特征在于，所述光学系统至少包括：将被激光照射后的所述被测物表面发出的所述辐射信号分成两个波段的辐射信号的分光片，以及分别在所述两个波段的辐射信号内确定所述两个波长不同的辐射信号的两个滤波片；

所述电子信号检测系统至少包括：将所述两个波长不同的辐射信号转换成相应的两个电子信号的两个探测器，以及分别将所述两个电子信号分离出所述直流信号和所述交流信号的锁相放大器。

3.根据权利要求1所述的激光辅助辐射温度测量装置，其特征在于，所述激光器是部分或全部能量能被样品材料吸收的辐射能量源。

4.根据权利要求1所述的激光辅助辐射温度测量装置，其特征在于，所述激光器为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、染料激光器、X光能量源、经过调制的脉冲能量源中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的激光辅助辐射温度测量装置，其特征在于，所述激光器通过机械斩波器、声光调制器、电光调制器中至少一种实现激光的强度调制。

6.根据权利要求1所述的激光辅助辐射温度测量装置，其特征在于，所述光学系统中对所述辐射信号的传输通过光学器件实现。

7.根据权利要求6所述的激光辅助辐射温度测量装置，其特征在于，所述光学器件包括光纤。

8.一种激光辅助辐射温度测量方法，包括：

对被测物表面照射强度调制的激光，从而在被测物的表面产生交流的辐射信号；

将所述被测物表面产生的辐射信号中两个波长不同的辐射信号分别分离出直流信号和交流信号并进行检测；以及

对测量出的所述直流信号和所述交流信号分别转换成数字信号后进行比较和处理，根据普朗克黑体辐射理论，测定所述被测物表面的温度。

9.根据权利要求8所述的激光辅助辐射温度测量方法，其特征在于，所述被测物材料为固体材料，且相对于所述激光是不透明材料。

10.根据权利要求8所述的激光辅助辐射温度测量方法，其特征在于，所述激光在所述被测物表面产生0.1-10K的交变温度变化。