专利名称：减色辐射测温法及测温仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及辐射高温测定法。
辐射测温在工业生产、科学研究等方面有着非常广泛的应用，辐射测温建立在黑体辐射理论的基础上，根据引用黑体辐射理论方式的不同，区分出不同的测温方法。
1.单辐射法是根据物体光谱辐射亮度于温度之间的关系实现辐射测温的方法。在知道单色光的波长λ和被测物体的光谱发射率ελ的情况下，测量出光谱辐射亮度L(λ，T)，就可算出物体的实际温度T。但测量物体光谱发射率是一件困难和复杂的工作，用此法测温的仪器在工业上应用不很理想。
2.全辐射法是根据物体在全波长范围内的辐射亮度于温度的关系实现辐射测温的方法。给出物体的全发射率ε，测出全辐射亮度L(T)，就可得出物体的温度。此法虽可测量很低的温度，但此类仪器在测量条件比较恶劣的情况下，如在空气中含有水蒸气、烟雾和尘埃的场合，将会给测量带来很大的误差。
3.比辐射法是根据物体在两个不同波长下的光谱亮度之比与温度的关系实现辐射测温的方法，它们的关系是式中Rε(λ，T)＝ε(λ1，T)/ε(λ2，T)，为相对光谱发射率，当两个波长相差不大时，近似为1，∧＝1/λ2-1/λ1。测量两个波长λ1、λ2的光谱辐亮度L(λ1，T)和L(λ2，T)，取Rε(λ，T)＝1，就可得出物体的温度，这个温度称为比色温度。如果ε(λ1，T)，ε(λ2，T)已知，可得出的温度为真实温度。此法可测量低发射率和发射率未知物体的温度，此类仪器在测量条件恶劣的情况下，仍可正常工作，但此类仪器结构复杂，价格也高，实现微机化处理有一定难度，波长选择也是一个较复杂的问题，在工业上应用不广泛。
由于工业、农业、国防事业的发展，希望设计出辐射测温仪能快速、自动、精确地测温和控制;向工作波段的选择、信号处理、高复现性、高灵敏度方向努力;测温范围向高温、低温两端延伸，向微机化、多功能方向发展。
本发明的目的是利用热辐射体的光谱功率分布，玻璃滤光片的光谱透过特性和硅光电池的光谱响应特性的减色辐射测温方法和测温仪，克服上述各种测温方法所存在的问题。
本发明的技术方案是，减色辐射测温法应用三个不同带宽的辐射亮度，作相减处理并求比值而得到被测物体的温度。它利用三个滤光片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的短波截止限和探测器的长波截止限相组合或由三个滤光片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的短波截止限和另一滤光片的长波截止限相组合，形成所要求的三个不同宽度的带通光谱区及相应的三个不同带宽的辐射亮度，将这三个不同宽度的带通光谱区记作〔λa、λd〕、〔λb、λd〕、〔λc、λd〕，相应的辐射亮度记作La、Lb、Lc，滤光片Ⅰ、Ⅱ、最大透射比τ1相同，滤光片Ⅲ的透射比τ2最大，并设这三个光谱区具有相同的光谱发射率ε。将透过它们的辐射亮度求积并相减后求比值，其结果记为Q＝(La-Lb)/(Lc-Lb)……(1)测出物体La、Lb、Lc，由(1)式就可以计算出被测物体的温度T，这一温度称为减色温度。
减色辐射测温仪是由光学和调制探测系统及电子和微机系统等组成。
下面结合附图对本发明作进一步描述。
图1、本发明三个带通光谱区的光谱透过特性;
图2、减色辐射测温法Q的特性;
图3、减色辐射测温仪的基本结构框图;
图4、减色辐射测温仪光学系统示意图;
图5、减色辐射测温仪放大电路原理图。
如图1所示三个带通滤光片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的光谱区分别记作〔λa，λd〕、〔λb，λd〕、〔λc，λd〕，滤光片Ⅰ、Ⅱ最大透射比τ1相同，滤光片Ⅲ的透射比τ2最大。大部份截止型滤光玻璃具有陡的上升沿和平坦的透过率带，国产截止型滤光玻璃在可见区和近红外有许多种牌号可选择，改变滤光玻璃的厚度可以方便地改变其透射比。硅光电池探测器的光谱响应率在长波截止限附近下降很快。利用截止型玻璃滤光片的短波截止和硅光电池的长波截止限就可以产生减色辐射测温方法所要求的三个带通滤光片。如果采用带通型玻璃滤光片和截止型玻璃滤光片相结合的方法也能产生减色辐射测温方法所要求的三个带通滤光片，如兰色玻璃QB21和CB，JB系列的组合也可形成减色辐射测温方法所要求的三个带通滤光片。
由于减色测温法中三个滤光片的光谱透过范围有相当部分重叠在一起，再加上减比运算的作用，受物体发射率的影响程度要小于比色测温法，减色温度更接近于物体的真实温度。如果减色测温中三种滤光片的光谱透过范围位于由比色测温法中两干涉滤光片的中心波长所确定的光谱范围之间，受物体发射率的影响，同真实温度的偏差，比色温度要比减色温度大35%。
减色辐射测温法选用硅光电池作探测器可以测量到600℃的温度，这比选用硅光电池的比色测温法要低得多。减色辐射测温法中的三个截止型玻璃滤光片和硅光电池一起组成的三个带通滤光片有一定的带宽，彼此又有相当一部份重叠在一起，使减色测温法能够充分利用近红外的热辐射信号，透过三个带宽到达硅光电池的热辐射信号远大于比色测温中的情境。因此，减色辐射测温法使用硅光电池探测器可以测量更低温度。
实现减色辐射测温法的关键在于实现减色测温原理所要求的三个带通光谱范围，使由(3)式决定的相对灵敏度记为S和(1)式中最小的差值所对应的数字量记为G越大越好。
如果采用12位的模数变换器，要求温度分辨率为1℃，为了消除模数变换器非线性误差的影响，满足仪器温度分辨率的要求，则S和G必须符合下式S×G≥1LSB……(4)为了满足(4)式的要求，必须对所选用的玻璃滤光片进行匹配，匹配玻璃时可以选择的参数有玻璃牌号和玻璃厚度，改变厚度可以方便地改变玻璃的透射比，改变玻璃牌号可以改变工作波长。当测温范围在600～1500℃时，由三种红色或近红外玻璃截止滤光片和硅光电池一起形成三个带通光谱区，如国产HB牌号的玻璃，S×G值在1.8～1.3之间。当测温范围在1500℃～2500℃时，使用截止型玻璃滤光片和带通型玻璃滤光片相组合的方式，形成三个带通光谱区，工作波长选择在可见区，当使用滤光玻璃QB21和JB，CB牌号玻璃组合时，S×G值在1.7～1.2之间。
减色辐射测温仪的基本结构如图3所示，它包括光学和调制探测系统，光学系统1的结构如图4所示。a为物镜，b为孔栏，带孔反射镜c将光线反射至反射镜d，经转象镜e，由目镜f观察瞄准。透过小孔的热辐射信号由积分镜g收集至调制探测系统。调制探测系统中装有玻璃滤光片的调制盘2和编码盘10由马达9带动一起转动，被测物体透过不同滤光片的热辐射轮流照射在探测器3上，产生调制信号，编码盘10上编有对应滤光片的信息，控制光断续器11的导通和截止。电子线路和微机系统，它包括放大电路4，采保电路5，模数变换电路6，单片机7，键盘显示电路8。如图5所示，放大电路4的第一级是由OP07运算放大器，4051模拟开关选通的反馈电阻Rf和硅光电池等组成的电流电压转换器;第二级是由LM348中的四运算放大器，精密电阻R10、R11、R12、R13、R14、R15、R23及由4051模拟开关选通的增益电阻RG等组成的可编程仪用放大器;LM384-4的输出端接信号线路的屏蔽层;第三级是由AD7521D/A转换器、电阻R16、运算放大器3140组成的增益细分电路，其数字输入由74LS273地址锁存器锁存。
使用12位的AD574AA/D转换器6就能满足仪器测量精度的要求，在AD574A模数转换器前，设计有LF398采样保持电路，单片机7配有16K的程序存贮器和4K的数据存贮器，键盘显示电路8应用一片8279芯片完成键盘和LED显示两种功能，整个仪器的工作由单片机控制，实现全自动测温。
本发明与现有技术相比其优点是1。测温准确度高同真实温度的偏差，比色温度要比减色温度大35%，即减色测温法测温更准确。
2.方法灵敏度高减色测温法的相对灵敏度是两个比辐射法相对灵敏度之和，在相同仪器灵敏度的情况下，对温度的分辨率高于比色测温法，采用12位的A/D转换器，就可实现1℃的温度分辨率，给仪器实现微机化，带来极大的方便。
3.测温范围宽因选用硅光电池作探测器，可测600℃的温度，这比选用硅光电池的比色测温法测温要低得多。
4.具有高抗干扰能力因在计算温度时，先做减法，消除信号上的共模噪声及La、Lb、Lc相应三个电信号采用同一放大倍数，做除法时消除放大倍数不稳定的影响。
5.方法容易实现采用的截止型玻璃滤光片加工容易，没有干涉滤光片的时间效应和温度效应等影响及硅光电池性能稳定，给仪器设计和生产带来方便。
因此在工业上有着非常广阔的应用前景。
仪器性能指标达到(a)测温范围600～2500℃;
(b)测温精度±1%;
(c)工作波长0.4～1μm;
(d)温度分辨率1℃;
(e)重复精度±3℃;
(f)测温速度每秒两次;
(g)距离系数100∶1。
权利要求
1.一种减色辐射测温法，本发明的特征是它利用滤光片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的短波截止限和探测器的长波截止限相组合或由滤光片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的短波截止限和另一滤光片的长波截止限相组合，形成所要求的三个不同宽度的带通光谱区，将这三个不同宽度的带通光谱区记作[λa，λd]、[λb，λd]、[λc，λd]，相应的辐射亮度记作La、Lb、Lc，测出物体的La、Lb、Lc，将La、Lb、Lc相减并求比值，由结果Q=(La-Lb)/(Lc-Lb)可计算出被测物体的温度T。
2.一种用于权利要求1的减色辐射测温仪，本发明的特征是它包括(1)光学和调制探测系统光学系统〔1〕由物镜a，带孔反射镜c，反射镜d，目镜f，积分镜g等组成，调制探测系统中，装有滤光片的调制盘〔2〕和编码盘〔10〕由马达〔9〕带动一起转动，被测物体透过不同滤光片的热辐射轮流照射在探测器〔3〕上，产生调制信号，编码盘〔10〕上编有对应滤光片的信息，控制光断续器〔11〕的导通和截止;(2)电子线路和微机系统它包括放大电路〔4〕、采保电路〔5〕、模数变换电路〔6〕、单片机〔7〕、键盘显示电路〔8〕。
3.根据权利要求2所述的减色辐射法的测温仪，其特征是放大电路〔4〕的第一级是由运算放大器、模拟开关选通的反馈电阻Rf和硅光电池等组成的电流电压转换器;第二级是由运算放大器，和模拟开关选通的增益电阻RG等组成的可编程仪用放大器;第三级是由D/A转换器、电阻R16、运算放大器组成的增益细分电路。
全文摘要
一种减色辐射测温法及测温仪，包括光学系统、调制探测系统、电子线路和微机系统。利用玻璃滤光片的短波截止限和硅光电池长波截止限相结合，或和带通滤光片短波截止限相组合，形成三个带通光谱区；测出物体相应的辐射亮度L
文档编号G01J5/20GK1094809SQ9310558
公开日1994年11月9日 申请日期1993年5月7日 优先权日1993年5月7日
发明者姚军, 叶关荣 申请人:浙江大学