辐射法测温技术因拥有非接触式测量的优势, 一直以来深受人们的关注, 尤其在爆炸场测温领域, 一直是广大学者研究探索的热门领域^[1-3]。爆炸场温度测量过程中, 由于被测目标场的温度通常高达数千度, 而爆炸反应历程非常短, 需要测量系统的响应速度达到纳秒乃至微秒量级。同时, 有些场合需要满足远距离传输、抗震动、抗电磁干扰等要求, 传统的温度测量方法难以适用, 辐射法测温体现出了明显的优势。目前, 国内外已有的辐射场非接触式温度测量方法主要包括比色测温法^[4]、6波长测温法^[5]、8波长高温计^[6]和光谱测量法等以及由以上方法衍生出来的相关方法。

本文基于多光谱测温理论, 利用光电探测技术响应速度快的优势, 研制了响应时间为百纳秒的多光谱测温装置。实现了高温辐射源的高温测量, 为爆炸场温度测量提供了设计思路和技术支持。

绝对黑体的辐射强度是波长和温度的函数, 辐射强度E(λ, T)可用普朗克公式表示为下式^[7-9]：

式中, λ为工作波长, T为工作温度, C₁和C₂分别为第一辐射常数和第二辐射常数。通过测量某波段的辐射功率可以间接得到辐射场的温度, 如图 1所示。

图  1  不同温度下的谱功率密度出射率与波长的关系

Figure 1.  Relationship between the emissivity of spectral power density and wavelength at different temperature

通常, 光谱辐射场的辐射强度受其表面发射率ε(λ, T)的影响, 因此辐射测温原理可以用公式(2)表示。

辐射温度为3 000 K以下时, 可将辐射测温的普朗克公式(2)近似为维恩公式(3), 使问题的讨论和计算得到简化。

对公式(3)两边取对数, 可以得到：

其中, lnE(λ, T)是测量值, C₁是常数, 预设波长λ也是已知的, 因此可以设A的表达式如下：

根据经验, 当温度低于3 000 K时, 可假设光谱发射率的对数与波长具有以下关系：

由式(4)~式(6)得到:

测量时，取n个波长处的光谱强度进行测量, 即可得到n个方程。方程组有解的必要条件是n≥m+2, 求出m+2个系数, 便可拟合出动态温度。

多光谱辐射测温装置主要由准直透镜、传输光纤、分光单元、探测阵列^[10-11]、数据采集单元及电脑终端组成。其总体结构如图 2所示。

图  2  测温装置总体结构示意图

Figure 2.  Structure schematic of temperature measuring device

系统工作过程中, 准直透镜对准待测区域, 待测温度场的辐射光信号通过系统前端的准直透镜耦合进入测量系统, 经光纤传输后进入分光单元, 分光单元在一定波长范围内对光信号进行波长选择, 将其分成多路光信号, 之后进入多元线性探测阵列, 不同波长的光信号经过探测阵列转换成电信号, 输出的电信号被高速数据采集单元进行采集处理。根据探测阵列的响应率计算得到每一路入射光的辐射强度, 通过多波长点的辐射强度拟和得出待测区域的温度。

测量装置的分光单元主要包括分光光栅与反射镜组, 结合所采用探测阵列的光谱响应范围, 分光单元将入射信号光在300~800 nm波段均匀分成32路, 选取每段的中心波长作为测量波长。通过反射镜组的多次反射, 进行光束整形, 最终形成平行光束后进入后面的线性探测阵列。

探测阵列是由快速响应的光电探测单元组成的32路线性阵列, 每个探测单元分别对应前面分光单元的一路输出信号。为了满足快速响应, 探测单元响应时间小于1 ns。由于辐射信号强度较弱, 设计增益大于10⁶。光信号经探测阵列完成光电转换后输出32路电压信号被数据采集模块采集。

光电探测阵列作为测量装置的传感器, 每一路探测单元对应的波长响应系数需通过标定给出。该装置研制过程中利用已知输出光谱能量的卤钨灯光源对测量装置进行响应系数标定。卤钨灯输出光谱曲线及实测的探测阵列光谱响应系数分别如图 3、4所示。

图  3  卤钨灯输出光谱

Figure 3.  Output spectrum of tungsten halogen lamp

图  4  探测阵列光谱响应

Figure 4.  Spectrum response of detection array

为了进一步对测量装置的温度进行修正, 本文利用标准的高温辐射源进行了高温实验验证。实验中, 分别设置不同的温度点进行实验测量, 通过比对装置的实际测量值与温度标准值进行校正, 最终实现温度的准确测量。

利用测量装置实测电压信号, 推算出不同波长的功率谱密度, 进而拟合得到所对应的温度曲线。典型的拟合曲线如图 5所示。

图  5  典型拟合温度曲线

Figure 5.  Typical fitting temperature curves

从实验结果看, 需要对测量装置的测量结果进行整体修正, 利用测量结果与真实温度的偏差对探测阵列的光谱响应曲线进行修正校准。

修正后再用标准辐射源进行实验验证, 得到不同温度点的实测值与标准值如表 2及图 6所示。

图  6  修正后温度曲线

Figure 6.  Corrected temperature curves

从上述实验结果可知, 测量装置经过修正后, 对不同温度的测量结果比较准确。

本文设计的测温装置利用具有快速响应的光电探测单元作为传感器，提高了响应速度。采用阵列结构设计，增加了波长点数，提高了温度拟合的精度。研制过程中利用卤钨灯作为标准光源对测量装置进行了响应系数标定, 通过标准辐射源温度测量实验, 验证了该装置温度测量的可靠性。测量装置借鉴了以往光谱辐射理论经验的基础上, 设计了多通道快响应测量方案, 为爆轰场、冲击波等瞬时温度场的测量提供新的手段和技术。