根據(jù)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(jì)校準(zhǔn)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?zhèn)鹘y(tǒng)校準(zhǔn)過程中的黑體爐作為校準(zhǔn)輻射的輻射源溫度計(jì)，從理論上解決了黑體爐無法校準(zhǔn)3 200℃以上高溫輻射溫度計(jì)的問題。給出了激光輻射源校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)方案和校準(zhǔn)方法，并對校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度進(jìn)行了評(píng)定。

導(dǎo)言

對于輻射溫度計(jì)的校準(zhǔn)和驗(yàn)證，通常采用比較方法，即通過高度穩(wěn)定的輻射源(通常是黑體輻射源)和其他支持設(shè)備，將標(biāo)準(zhǔn)裝置再現(xiàn)的溫度與檢測到的輻射溫度計(jì)再現(xiàn)的溫度進(jìn)行比較，以判斷其是否合格或給出校準(zhǔn)結(jié)果。

在校準(zhǔn)和驗(yàn)證工作中，輻射源一般可在-6 ~ 1200℃(或1600℃)范圍內(nèi)使用，開放式中低溫黑體爐，帶抽真空和惰性氣體保護(hù)的高溫黑體爐可在1200℃(或1600℃)至3200℃范圍內(nèi)使用。標(biāo)準(zhǔn)裝置分別為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶(二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì))和標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)(光電)高溫計(jì)。

目前，國家檢定系統(tǒng)上還沒有相應(yīng)的3200℃以上部件的傳輸系統(tǒng)。但是，根據(jù)模型和任務(wù)的要求，一些單位開發(fā)和使用了溫度測量上限超過3200℃的輻射溫度計(jì)。在這些溫度計(jì)的校準(zhǔn)和驗(yàn)證過程中，輻射熱源作為標(biāo)準(zhǔn)和測試之間的比較介質(zhì)非常重要。其主要技術(shù)指標(biāo)是:溫度范圍、穩(wěn)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(xiàn)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(dá)到-60 ~ 3200℃，不能用于檢測溫度測量上限超過3200℃ 溫度計(jì)的輻射。

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

工作原理

輻射溫度計(jì)是一種根據(jù)物體輻射的能量測量溫度的儀器。根據(jù)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和溫度的函數(shù)。

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

在實(shí)際測量中，輻射單色儀溫度計(jì)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(nèi)的輻射能量，否則它不能響應(yīng)，因?yàn)榻邮盏降哪芰糠浅Ｐ?。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(jì)對準(zhǔn)待測物體，輻射溫度計(jì)的探測器接收待測物體輻射的能量，并通過信號(hào)處理電路將能量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，或者進(jìn)一步通過顯示器直接顯示待測物體的溫度值。

根據(jù)上述輻射溫度計(jì)的溫度測量原理，可以發(fā)現(xiàn)輻射能的波長在[λ；1，&λ；2)輻射源范圍內(nèi)；輻射能對應(yīng)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(xù)可調(diào)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(yīng)的有效波段溫度計(jì)內(nèi)的輻射能，激光器本身的溫度不能達(dá)到幾千攝氏度，尤其是用于校準(zhǔn)的激光器功率小，因此激光器本身的溫度非常低。通過這種方式，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(jù)激光器的這一特性，選擇在輻射溫度計(jì)的有效波長范圍內(nèi)具有工作波長的激光器來模擬特定溫度下溫度輻射的黑體輻射能量和輻射溫度計(jì)的有效波長帶，使得輻射溫度計(jì)接收的激光能量等于輻射溫度計(jì)的有效波長帶內(nèi)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(jié)合，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)校準(zhǔn)過程中的黑體爐作為校準(zhǔn)輻射的輻射源溫度計(jì)。 激光器的輸出能量由標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)校準(zhǔn)，通過測量電量可以準(zhǔn)確獲得標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)值。

標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)用作校準(zhǔn)激光器輸出的輻射能量的標(biāo)準(zhǔn)裝置，該輻射能量等于特定溫度下輻射溫度計(jì)接收的黑體輻射能量。因此，在正常情況下用于校準(zhǔn)輻射溫度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)裝置從高精度溫度計(jì)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)，并且激光器代替黑體輻射源，從而實(shí)現(xiàn)高溫輻射溫度計(jì)的校準(zhǔn)。這是通過激光能量法校準(zhǔn)輻射溫度計(jì)的基本原理。這種激光器可以稱為激光輻射源。

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(xiàn)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足輻射溫度計(jì)對高溫校準(zhǔn)的要求。

b)易于使用。從鍵盤輸入輻射溫度計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的孔徑。當(dāng)輻射源溫度計(jì)和測量目標(biāo)之間的距離R為1000毫米時(shí)，目標(biāo)可以輻射到輻射源溫度計(jì)區(qū)域S，以及光學(xué)系統(tǒng)光譜范圍λ的上波長和下波長；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(yīng)的輻射能量φ；0λ；1，&λ；2(T0i).

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

d)節(jié)省時(shí)間。激光輻射源沒有溫升和恒溫過程，可以實(shí)現(xiàn)快速校準(zhǔn)和驗(yàn)證。

e)校準(zhǔn)時(shí)，可能不考慮輻射距離系數(shù)溫度計(jì)。

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

問題討論

激光輻射源輸出的激光波長應(yīng)在輻射溫度計(jì)的有效波長范圍內(nèi)。由于激光輻射源不是黑體輻射源，輸出激光的波長必須適應(yīng)輻射溫度計(jì)。換句話說，單頻激光輻射源不能滿足校準(zhǔn)所有輻射溫度計(jì)的需要。在校準(zhǔn)裝置中，具有不同工作波長的多個(gè)激光輻射源可以共享一套控制系統(tǒng)。如果使用頻率可調(diào)的激光器，這個(gè)問題可以被克服。

校準(zhǔn)期間，應(yīng)注意同軸輻射溫度計(jì)和激光束。因?yàn)榧す馐浅Ｕ绻麤]有正確瞄準(zhǔn)，激光束可能不會(huì)擊中探測器。

在不確定度評(píng)估中，由于條件的限制，沒有考慮輻射溫度計(jì)光學(xué)系統(tǒng)光譜透射波長的測量誤差。由于波長測量誤差會(huì)導(dǎo)致輻射能的計(jì)算誤差，zui較終會(huì)影響校準(zhǔn)結(jié)果。同時(shí)，當(dāng)輻射溫度計(jì)和被測目標(biāo)之間的距離R為1，000毫米時(shí)，也不考慮目標(biāo)可以輻射的區(qū)域S的測量誤差溫度計(jì)。這兩個(gè)誤差將直接影響輻射能的計(jì)算。這將在未來的研究中得到解決。

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

來源:北京綠野創(chuàng)新機(jī)電設(shè)備有限

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