CN201892573U - 一种近红外辐射温度计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种近红外辐射温度计，其包括：探测光路模块，包括：依次顺序设置的物镜，视场光阑，孔径光阑，探测光路透镜和探测器；瞄准光路模块，包括：依次顺序设置的反射镜，观察光路透镜，减弱片和目镜；前置放大模块，包括前置放大器，与所述探测器连接；所述视场光阑相对于水平方向倾斜设置，所述反射镜平行于所述视场光阑设置，接收所述视场光阑反射的光线并将其反射至所述观察光路透镜。本实用新型设计了采用InGaAs探测器和中心波长为1.6μm，带宽为200nm的干涉滤光片等光学元件的辐射温度计，测量温度范围在180℃-1100℃之间，辐射源尺寸效应较小，不确定度在不同温度点均小于0.4℃。

Description

一种近红外辐射温度计

技术领域

本实用新型属于光电技术领域，涉及一种辐射温度计，特别是涉及一种中心波长为1.6μm的近红外标准辐射温度计。

背景技术

中国计量科学研究院在建立我国961.78℃以上温区国际温标(ITS-90)的基础上，研制了用作温标传递的标准光电高温计，其测温范围为800℃-2200℃，由于其体积和重量较大，很难满足便携的需要。因此，中国计量科学研究院又陆续研制了小型标准辐射温度计，其中心波长分别为660nm和900nm，而这两个波长的辐射温度计的测温下限也只能到600℃，不能满足更低温度的测量需要。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是扩大辐射温度计所测量的温度范围，降低其辐射源尺寸效应和测量不确定度。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种近红外辐射温度计，其包括：

探测光路模块，包括：依次顺序设置的物镜，视场光阑，孔径光阑，探测光路透镜和探测器；

瞄准光路模块，包括：依次顺序设置的反射镜，观察光路透镜，减弱片和目镜；

前置放大模块，包括前置放大器，与所述探测器连接；

所述视场光阑相对于水平方向倾斜设置，所述反射镜平行于所述视场光阑设置，接收所述视场光阑反射的光线并将其反射至所述观察光路透镜。

上述近红外辐射温度计中，所述探测器和探测光路透镜之间还设置有干涉滤光片。

上述近红外辐射温度计中，所述物镜，孔径光阑，探测光路透镜，干涉滤光片和探测器同轴设置。

上述近红外辐射温度计中，所述视场光阑的中心在所述物镜，孔径光阑，探测光路透镜，干涉滤光片和探测器的同轴轴线上。

上述近红外辐射温度计中，所述观察光路透镜，减弱片和目镜同轴设置。

上述近红外辐射温度计中，所述反射镜的中心在所述观察光路透镜，减弱片和目镜的同轴轴线上。

上述近红外辐射温度计中，所述物镜为直径为50.8mm，焦距为150mm的双胶合透镜。

上述近红外辐射温度计中，所述探测器为InGaAs二级制冷探测器，工作温度设置为-30℃。

上述近红外辐射温度计中，所述干涉滤光片为中心波长为1.6μm，带宽为200nm，截止区透射比小于10^-4的干涉滤光片。

上述近红外辐射温度计中，所述探测光路模块的轴线和瞄准光路模块的轴线平行。

(三)有益效果

上述技术方案设计了采用InGaAs探测器和中心波长为1.6μm，带宽为200nm的干涉滤光片等光学元件的近红外辐射温度计，测量温度范围在180℃-1100℃之间，辐射源尺寸效应较小，不确定度在不同温度点均小于0.4℃。

附图说明

图1是本实用新型实施例的近红外辐射温度计的光学系统示意图；

图2是本实用新型实施例的近红外辐射温度计辐射源尺寸效应测量结果示意图。

其中，1：物镜；2：视场光阑；3：孔径光阑；4：探测光路透镜；5：干涉滤光片；6：InGaAs探测器；7：反射镜；8：观察光路透镜；9：减弱片；10：目镜；11：前置放大器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

首先介绍一下近红外标准辐射温度计的原理。

普朗克定律给出黑体的光谱辐射亮度L与温度T、波长λ之间的关系：

$I_P={\∫}_0^{\∞}\mathrm{\Φ}(\mathrm{\λ},T)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}={\∫}_0^{\∞}\mathrm{A\ΩL}(\mathrm{\λ},T)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(1\right)$

式中；c₁---第一辐射常数；c₂---第二辐射常数；T为黑体的温度，单位为K。式(1)是普朗克定律的一般表达式，它准确地描述出黑体的辐射能力与波长以及温度之间的关系。辐射温度计采用干涉滤光片作为单色器，其光电探测器-硅光电二极管的输出光电流为

$I_P={\∫}_0^{\∞}\mathrm{\Φ}(\mathrm{\λ},T)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}={\∫}_0^{\∞}\mathrm{A\ΩL}(\mathrm{\λ},T)\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)d_{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

式中：Ф(λ，T)为光电探测器接收的光谱辐射通量，A为辐射温度计测量目标的面积，Ω为辐射温度计受光立体角，T为被测黑体的温度，τ(λ)为干涉滤光片的光谱透过率，R(λ)为滤光片和探测器的光谱响应度。上式为探测器输出电流I_P和被测黑体温度T的单值关系。

若已知照度辐射温度计在参考温度点T_r时其光电探测器输出为I_pr。则

$\frac{I_P}{I_{\mathrm{Pr}}}=\frac{{\∫}_0^{\∞}L(\mathrm{\λ},T)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_0^{\∞}L(\mathrm{\λ},T_r)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}=\frac{L({\mathrm{\λ}}_e,T)}{L({\mathrm{\λ}}_e,T_r)}---\left(3\right)$

式中：λ_e为在温度间隔T_r～T之间的平均有效波长。将普朗克公式代入式(3)，则有：

$T=\frac{c_2}{{\mathrm{\λ}}_e\·\ln \left\{\frac{I_{\mathrm{Pr}}}{I_P}\right[\exp \left(\frac{c_2}{{\mathrm{\λ}}_e{T}_r}\right)-1]+1\}}---\left(4\right)$

当有效波长λ_e随温度的变化可忽略时，温度T与光电探测器的输出I_P呈单值关系且为一元显函数。式(4)是照度辐射温度计计算温度的基本公式。当测量非黑体时，T是被测辐射源的亮度温度。

图1示出了本实用新型实施例的1.6μm标准辐射温度计的光学系统示意图，主要包括探测光路模块，瞄准光路模块和前置放大模块三个部分。探测光路模块包括依次顺序设置的物镜1，视场光阑2，孔径光阑3，探测光路透镜4，探测器6，以及探测光路透镜4和探测器6之间的干涉滤光片5；物镜1，孔径光阑3，探测光路透镜4，干涉滤光片5和探测器6同轴设置，视场光阑2相对于水平方向倾斜设置，且视场光阑2的中心在物镜1，孔径光阑3，探测光路透镜4，干涉滤光片5和探测器6的同轴轴线上。瞄准光路模块包括依次顺序设置的反射镜7，观察光路透镜8，减弱片9和目镜10，观察光路透镜8，减弱片9和目镜10同轴设置，反射镜7平行于视场光阑2设置，反射镜7接收视场光阑2反射的光线并将其反射至观察光路透镜8。前置放大模块包括前置放大器11，与探测器6连接，作为探测器6信号的前置放大器。其中，探测光路模块和瞄准光路模块的轴线相互平行。

本实施例辐射温度计的上述主要组成元件的参数如表1所示。干涉滤光片5选择中心波长为1.6μm，带宽为200nm，截至区域的透射比小于10-4；物镜10采用直径为50.8mm，焦距为150mm双胶合透镜；探测器6采用日本滨松公司生产的G8605-25型InGaAs探测器，其工作温度设置为-30℃；选用OPA111型放大器作为前置放大器11。

表1

将该辐射温度计组装成便携的整机装置时，还需要设置电测系统，其包括程控微电流放大器和微控制器等构成的测量显示仪表。InGaAs光电探测器接受的辐射通量非常微弱，从pW及到μW级，光电探测器相应光电流输出为10^-12～10^-5A，仪器在下限温度上需分辨到10^-15A量级。放大器采用静电计型运算放大器，电流放大器为6个量程，其动态范围满足180℃～1100℃的测量要求。

组装之后的辐射温度计整机装置的测温范围从180℃至1100℃，最小测量距离为550mm，最小测量目标为3mm，SSE在辐射源直径从5mm到50mm的范围内为0.11％，仪器外形尺寸为410mm×215mm×130mm，总重量约6kg。

使用一台微电流源测量探测器电流放大器量程间增益比，为保证测量精度，在测量前开机30分钟，选择相邻的两个量程测量同一测试微电流的大小，显示值的比值即为两量程间增益比。6个量程增益比如表2所示。

表2

量程	放大器增益比
		R1	1.0164
R2	1.0157
		R3	1.0011
R4	1.0003
		R5	1.0011
R6	1.0000

显示仪表与测量系统为一体化设计，并采用前置放大器与主电路板分离设计，避免信号干扰。主电路板完成信号的处理，显示与输出功能。即对微电流放大器的控制及对放大器输出电压的A/D转换；按照放大器相应量程增益计算光电流，根据Sakuma方程计算和显示温度值；通过GPIB接口实现计算机的虚拟仪器对仪器的通讯和控制。

固定点温标的近似复现技术是由日本计量院(NMIJ)的Sakuma提出并实现的半经验公式，其后新西兰计量院的Peter Saunders用数学推导明确了公式中各系数的物理意义。这种方法优点在于不需要对辐射温度计的有效波长和系统非线性进行测量，只需3个固定点进行分度，特别适用于红外辐射温度计的分度。利用普朗克定律，Sukuma提出了下式：

$V\left(T\right)=\frac{C}{\exp \left(\frac{c_2}{\mathrm{AT}+B}\right)-1}---\left(5\right)$

式中A，B，C均为待定常数。

Sakuma方程适用于具有系统非线性的窄带辐射测温仪。由于只含有3个待定常数，以3个固定点分度就完全能确定A，B，C三个待定系数。

表3

固定点名称	固定点温度	辐射温度计输出电流值
			Cu铜	1357.77	1.29266×10-5A

Al铝	933.47	5.89414×10-7A
			Zn锌	692.68	1.92667×10-8A

1.6μm辐射温度计采用3个固定点黑体分度，3个固定点分别为锌点，铝点和铜点。三个固定点黑体由日本Chino公司生产，其黑体发射率约为0.999，坩埚开口孔径为固定点准确性为±0.3℃以内。根据表3测量的临近三天内测量的三个固定点的电流值，计算的ABC如表4所示。

表4

系数	运算结果
		A[m]	1.54494E-06
B[m·K]	8.50136E-06
		C[mV]	0.011962511

为了验证辐射温度计的测量稳定性，两周内测量了四天十次铝固定点量值，其结果如表5所示。测量电流的标准偏差为8.8×10^-10，温度标准偏差为0.1℃。因此说明辐射温度计本身的漂移小于0.1℃。

表5

次数	电流值(A)	计算的温度值(℃)
			1	5.8920×10-7	660.288
2	5.8928×10-7	660.301
			3	5.8928×10-7	660.302
4	5.8960×10-7	660.352
			5	5.8853×10-7	660.181
6	5.8981×10-7	660.387
			7	5.8941×10-7	660.323
8	5.8947×10-7	660.331
			9	5.8814×10-7	660.119
10	5.8807×10-7	660.107

标准偏差

8.8×10-10

0.10

当测量或比较两个尺寸不同但是具有相同温度的黑体辐射源的单色辐射亮度时会得到不同的信号，即辐射温度计示值不同，即测量信号与辐射源的大小有关，此现象就是辐射源尺寸效应。SSE来源于辐射的衍射和散射，辐射温度计光学系统的不完美和光学畸变等影响。

间接法是一种常用的，不确定度较低的测量SSE的方法。此方法是辐射温度计测量一个大面积的改变直径的辐射源。而辐射温度计的视场瞄准一个不透光的黑体(在石英玻璃板上面打洞，并涂上发射率较高的黑漆)。SSE结果的计算公式如下式：

$\mathrm{\σ}(d,d_0)=\frac{v\left(d\right)-v\left(d_0\right)}{v\left(L\right)}---\left(7\right)$

其中σ(d，d₀)为辐射源直径从d到d₀之间变化的信号值与亮处信号的比值，d到d₀的SSE值；v(d)表示辐射源直径为d时辐射温度计的亮度值；v(L)表示在辐射源直径为d_max时，辐射温度计的视场放在不透光的黑点周围的亮区的亮度值；v(d)为辐射源直径为d时辐射温度计的亮度值；d是均匀光源的直径；d₀是光源的最小直径；d_max为光源的最大直径。

用于测量辐射温度计辐射源尺寸效应的辐射源采用了内径为800mm，开口直径为96mm，漫反射层为聚四氟的积分球。功率为150W，额定电压为21V的六个卤钨灯均匀分布在积分球开口处。积分球在额定功率下，开口范围为48×48cm的亮度均匀性为±5×10^-4。

1.6μm辐射温度计辐射源尺寸效应测量结果如图2所示。辐射源直径由5mm到50mm，SSE为0.11％。

影响近红外辐射温度计量值不确定度的主要因素有：变温黑体在200℃的重复性，锌固定点，铝固定点和铜固定点分度重复性；变温黑体在200℃的稳定性，固定点量值稳定性；标准辐射温度计响应的非线性；电测仪表特性，包括放大器增益，零点漂移等因素。如表6所示，各个影响不确定度的分量的影响量已经转换成为温度量。对不同的温度点，不确定度的大小是不同的，但是都小于0.4℃。由表6，可以发现，固定点的稳定性对于辐射温度计分度的不确定度影响最大，而由于本实验中采用的是便携式的固定点炉，其稳定性较差，造成分度不确定度较大。

表6

由以上实施例可以看出，本实用新型实施例通过采用InGaAs探测器和中心波长为1.6μm，带宽为200nm的干涉滤光片等光学元件的近红外辐射温度计，可以将辐射温度计的中心波长设定为1.6μm，测量温度范围扩大到180℃-1100℃之间，从而提高了辐射源尺寸效应，降低了不确定度。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种近红外辐射温度计，其特征在于，包括：

探测光路模块，包括：依次顺序设置的物镜(1)，视场光阑(2)，孔径光阑(3)，探测光路透镜(4)和探测器(6)；

瞄准光路模块，包括：依次顺序设置的反射镜(7)，观察光路透镜(8)，减弱片(9)和目镜(10)；

前置放大模块，包括前置放大器(11)，与所述探测器(6)连接；

所述视场光阑(2)相对于水平方向倾斜设置，所述反射镜(7)平行于所述视场光阑(2)设置，接收所述视场光阑(2)反射的光线并将其反射至所述观察光路透镜(8)。

2.如权利要求1所述的一种近红外辐射温度计，其特征在于，所述探测器(6)和探测光路透镜(4)之间还设置有干涉滤光片(5)。

3.如权利要求2所述的一种近红外辐射温度计，其特征在于，所述物镜(1)，孔径光阑(3)，探测光路透镜(4)，干涉滤光片(5)和探测器(6)同轴设置。

4.如权利要求3所述的一种近红外辐射温度计，其特征在于，所述视场光阑(2)的中心在所述物镜(1)，孔径光阑(3)，探测光路透镜(4)，干涉滤光片(5)和探测器(6)的同轴轴线上。

5.如权利要求1所述的一种近红外辐射温度计，其特征在于，所述观察光路透镜(8)，减弱片(9)和目镜(10)同轴设置。

6.如权利要求5所述的一种近红外辐射温度计，其特征在于，所述反射镜(7)的中心在所述观察光路透镜(8)，减弱片(9)和目镜(10)的同轴轴线上。

7.如权利要求1所述的一种近红外辐射温度计，其特征在于，所述物镜(1)为直径为50.8mm，焦距为150mm的双胶合透镜。

8.如权利要求1所述的一种近红外辐射温度计，其特征在于，所述探测器(6)为InGaAs二级制冷探测器，工作温度设置为-30℃。

9.如权利要求2所述的一种近红外辐射温度计，其特征在于，所述干涉滤光片(5)为中心波长为1.6μm，带宽为200nm，截止区透射比小于10^-4的干涉滤光片。

10.如权利要求4所述的一种近红外辐射温度计，其特征在于，所述探测光路模块的轴线和瞄准光路模块的轴线平行。

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