根據輻射溫度測量的基本原理，提出了一種新的高溫輻射溫度計校準方法。激光輻射源利用黑體輻射能量與溫度的確定關(guān)系，模擬發(fā)射黑體在某一溫度和某一波段的輻射能量，即激光輻射源代替傳統校準過(guò)程中的黑體爐作為校準輻射的輻射源溫度計，從理論上解決了黑體爐無(wú)法校準3 200℃以上高溫輻射溫度計的問(wèn)題。給出了激光輻射源校準裝置的設計方案和校準方法，并對校準結果的不確定度進(jìn)行了評定。

導言

對于輻射溫度計的校準和驗證，通常采用比較方法，即通過(guò)高度穩定的輻射源(通常是黑體輻射源)和其他支持設備，將標準裝置再現的溫度與檢測到的輻射溫度計再現的溫度進(jìn)行比較，以判斷其是否合格或給出校準結果。

在校準和驗證工作中，輻射源一般可在-6 ~ 1200℃(或1600℃)范圍內使用，開(kāi)放式中低溫黑體爐，帶抽真空和惰性氣體保護的高溫黑體爐可在1200℃(或1600℃)至3200℃范圍內使用。標準裝置分別為二級標準熱電偶(二級標準鉑電阻溫度計)和標準光學(xué)(光電)高溫計。

目前，國家檢定系統上還沒(méi)有相應的3200℃以上部件的傳輸系統。但是，根據模型和任務(wù)的要求，一些單位開(kāi)發(fā)和使用了溫度測量上限超過(guò)3200℃的輻射溫度計。在這些溫度計的校準和驗證過(guò)程中，輻射熱源作為標準和測試之間的比較介質(zhì)非常重要。其主要技術(shù)指標是:溫度范圍、穩定性和有效發(fā)射率。目前的黑體輻射源通常是黑體爐。在現有技術(shù)條件下，由于制造加熱器和黑體空腔所用材料的耐溫性限制，其溫度范圍只能達到-60 ~ 3200℃，不能用于檢測溫度測量上限超過(guò)3200℃ 溫度計的輻射。

激光能量法是本文提出的一種新的標定方法。根據這一原理，建立了相應的激光輻射源校準裝置，能夠校準和驗證溫度測量上限超過(guò)3200℃的輻射溫度計。

工作原理

輻射溫度計是一種根據物體輻射的能量測量溫度的儀器。根據輻射理論，只要任何物體不在零度(-273.15℃)，熱輻射就存在于任何其他溫度。熱平衡中黑體發(fā)出的單色輻射是波長(cháng)和溫度的函數。

在一定波長(cháng)下，黑體的單色輻射發(fā)射率是溫度的單值函數，通過(guò)測量一定波長(cháng)下的單色輻射發(fā)射率可以得到黑體的溫度。這是輻射測溫的理論基礎，普朗克黑體輻射定律。

在實(shí)際測量中，輻射單色儀溫度計不能完全是單色的。此外，探測器還需要獲得一定光譜范圍內的輻射能量，否則它不能響應，因為接收到的能量非常小。同時(shí)，實(shí)際測量的物體不是黑色的。

在溫度測量期間，輻射溫度計對準待測物體，輻射溫度計的探測器接收待測物體輻射的能量，并通過(guò)信號處理電路將能量轉換成相應的電信號，或者進(jìn)一步通過(guò)顯示器直接顯示待測物體的溫度值。

根據上述輻射溫度計的溫度測量原理，可以發(fā)現輻射能的波長(cháng)在[λ；1，&λ；2)輻射源范圍內；輻射能對應于黑體的特定溫度，但是輻射源本身的溫度不等于這個(gè)溫度。輻射能量是連續可調的，并且輸出輻射能量相對較高。

由于激光器在幾千攝氏度的高溫下發(fā)射與黑體發(fā)射的輻射相對應的有效波段溫度計內的輻射能，激光器本身的溫度不能達到幾千攝氏度，尤其是用于校準的激光器功率小，因此激光器本身的溫度非常低。通過(guò)這種方式，激光器發(fā)射的輻射能不受其制造的材料的耐溫性的限制。根據激光器的這一特性，選擇在輻射溫度計的有效波長(cháng)范圍內具有工作波長(cháng)的激光器來(lái)模擬特定溫度下溫度輻射的黑體輻射能量和輻射溫度計的有效波長(cháng)帶，使得輻射溫度計接收的激光能量等于輻射溫度計的有效波長(cháng)帶內該特定溫度下黑體的輻射能量， 并且激光器的輸出能量與特定溫度相結合，以代替傳統校準過(guò)程中的黑體爐作為校準輻射的輻射源溫度計。 激光器的輸出能量由標準激光功率計校準，通過(guò)測量電量可以準確獲得標準激光功率計的標準值。

標準激光功率計用作校準激光器輸出的輻射能量的標準裝置，該輻射能量等于特定溫度下輻射溫度計接收的黑體輻射能量。因此，在正常情況下用于校準輻射溫度計的標準裝置從高精度溫度計變?yōu)闃藴始す夤β视?，并且激光器代替黑體輻射源，從而實(shí)現高溫輻射溫度計的校準。這是通過(guò)激光能量法校準輻射溫度計的基本原理。這種激光器可以稱(chēng)為激光輻射源。

激光能量法的特點(diǎn)

激光能量法有幾個(gè)特點(diǎn):

a)激光輻射源本身的溫度可以非常低，避免了現有黑體輻射源的溫度上限由于本體材料的耐熱性而不能超過(guò)3200℃的情況，因此溫度上限可以非常高。由于黑體爐被激光代替作為輻射源，輸出能量完全可以滿(mǎn)足輻射溫度計對高溫校準的要求。

b)易于使用。從鍵盤(pán)輸入輻射溫度計光學(xué)系統的孔徑。當輻射源溫度計和測量目標之間的距離R為1000毫米時(shí)，目標可以輻射到輻射源溫度計區域S，以及光學(xué)系統光譜范圍λ的上波長(cháng)和下波長(cháng)；1，&λ；2和溫度T0i時(shí)，激光輻射源可以直接輸出與溫度T0i對應的輻射能量φ；0λ；1，&λ；2(T0i).

c)激光能量法屬于校準法，不需要標準溫度計。同時(shí)，它也不同于一般的標定方法，不需要定義不動(dòng)點(diǎn)和插值方程。使用標準激光功率計作為標準，通過(guò)激光輻射源的輸出能量獲得對應于熱力學(xué)溫度T0的輻射能量φ。0λ；1，&λ；2(T0i).標準激光功率計測量激光輻射源的輸出能量并執行自校準。

d)節省時(shí)間。激光輻射源沒(méi)有溫升和恒溫過(guò)程，可以實(shí)現快速校準和驗證。

e)校準時(shí)，可能不考慮輻射距離系數溫度計。

f)激光能量法主要用于高溫范圍輻射溫度計的校準和驗證，因此沒(méi)有必要考慮環(huán)境輻射的影響。

問(wèn)題討論

激光輻射源輸出的激光波長(cháng)應在輻射溫度計的有效波長(cháng)范圍內。由于激光輻射源不是黑體輻射源，輸出激光的波長(cháng)必須適應輻射溫度計。換句話(huà)說(shuō)，單頻激光輻射源不能滿(mǎn)足校準所有輻射溫度計的需要。在校準裝置中，具有不同工作波長(cháng)的多個(gè)激光輻射源可以共享一套控制系統。如果使用頻率可調的激光器，這個(gè)問(wèn)題可以被克服。

校準期間，應注意同軸輻射溫度計和激光束。因為激光束非常窄，如果沒(méi)有正確瞄準，激光束可能不會(huì )擊中探測器。

在不確定度評估中，由于條件的限制，沒(méi)有考慮輻射溫度計光學(xué)系統光譜透射波長(cháng)的測量誤差。由于波長(cháng)測量誤差會(huì )導致輻射能的計算誤差，zui較終會(huì )影響校準結果。同時(shí)，當輻射溫度計和被測目標之間的距離R為1，000毫米時(shí)，也不考慮目標可以輻射的區域S的測量誤差溫度計。這兩個(gè)誤差將直接影響輻射能的計算。這將在未來(lái)的研究中得到解決。

激光能量法和黑體輻射源法校準輻射溫度計的差異需要在理論和實(shí)踐上進(jìn)行討論和研究。

來(lái)源:北京綠野創(chuàng )新機電設備有限

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