基于RM-6A紅外熱敏電阻的發(fā)射率在線測(cè)量系統(tǒng)研究

朱志星,葉 林，任宏宇,范博龍

(華中科技大學(xué)人工智能與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430074)

0 引言

發(fā)射率是表征物體輻射能力的熱物性參數(shù)[1]。發(fā)射率指的是實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力之比，表征實(shí)際物體輻射能力接近黑體輻射的程度[2]。發(fā)射率的測(cè)量方法眾多，大致可以分為能量法、反射率法、量熱法以及多波長(zhǎng)法[3-8]。

量熱法簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，并且有廣泛的應(yīng)用，但是對(duì)于被測(cè)物體表面溫度分布不均時(shí)其計(jì)算得到的發(fā)射率誤差較大[9]；多波長(zhǎng)法可以同時(shí)測(cè)量被測(cè)對(duì)象的波長(zhǎng)和溫度，但是其測(cè)量精度易受到假設(shè)的波長(zhǎng)與發(fā)射率模型的影響[2]，相關(guān)的理論不夠完善，測(cè)量精度不能得到很好的保證；反射率法可以有效用于在線測(cè)量，但是其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要積分球分射計(jì)以及參考輻射源[10-14]，無(wú)法克服工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)震動(dòng)影響；上述各種方法均有其局限性，本文選擇了結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量的能量法作為發(fā)射率測(cè)量原理。

本文基于RM-6A型紅外熱敏電阻采用能量法的測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)了發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)，解決了熱敏電阻溫度漂移問(wèn)題，拓寬了系統(tǒng)的工作溫度范圍。改進(jìn)了探測(cè)器設(shè)計(jì)，大幅度降低了強(qiáng)背景輻射對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度的影響。同時(shí)利用黑體等效法和傅里葉光譜儀對(duì)照測(cè)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)有較好的測(cè)量精度。

1 測(cè)量原理

發(fā)射率指的是實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力之比，其表示式為

(1)

假設(shè)傳感器敏感元件接收到外界的輻射為E，同時(shí)敏感元對(duì)于熱輻射的吸收系數(shù)為σ，則敏感元吸收的熱輻射能量為σE，敏感元件的比熱容為c，質(zhì)量為m，則[15]：

σE=cmΔT

(2)

由式(2)可知，能量E與溫度變化量ΔT成正比。由于核心傳感器其R-T特性具有負(fù)溫度系數(shù)，隨著溫度的降低其自身阻值會(huì)不斷增大，R-T特性曲線圖如圖1所示。前置電路為橋式電路。根據(jù)橋式測(cè)量電路原理，探測(cè)器單元在接受目標(biāo)輻射前：

(3)

式中：RC為橋臂電阻；Rfs為傳感器敏感元電阻；R1為上橋臂電阻；K為測(cè)量電路的放大倍數(shù)。

圖1 傳感器R-T曲線

(4)

(5)

(6)

由于Rfs基值為MΩ級(jí)別，當(dāng)熱敏電阻接受輻射時(shí)，其電阻變化量較小(Rfs>>ΔRfs),所以：

(7)

從式(7)可以看出，ΔVout與Rfs成反比，與ΔRfs成正比。

當(dāng)核心傳感器接受輻射時(shí)，傳感器會(huì)產(chǎn)生溫升。它吸收的能量Q可表示為

Q=cmΔT

(8)

如圖1所示，傳感器的阻值會(huì)隨著溫度的升高而降低。不妨設(shè)主元電阻與溫度T的函數(shù)關(guān)系為

Rfs=f(T)

(9)

假設(shè)在測(cè)量開(kāi)始前，傳感器的初始溫度為T0，則當(dāng)傳感器敏感元接受外界輻射信號(hào)時(shí)，其自身會(huì)產(chǎn)生 ΔT的溫升，并且有下式：

ΔRfs=f′(T0)ΔT

(10)

代入式(6)有：

(11)

由式(7)、式(10)可以得到：

(12)

從式(11)及主元電阻的溫度特性曲線可以看出，在測(cè)量之前初始溫度T0確定時(shí)，在此狀態(tài)下Q正比于ΔVout。

Q=EtSβα

(13)

在測(cè)量時(shí)，電機(jī)以1 Hz恒定的頻率旋轉(zhuǎn)，因此測(cè)量時(shí)間固定。在探測(cè)器安裝位置固定，傳感器確定時(shí)，S、β、α等參數(shù)均確定并且維持不變，代入式(12)有：

(14)

由發(fā)射率的定義式有：

(15)

實(shí)驗(yàn)室采用面源黑體爐作為基準(zhǔn)源，其發(fā)射率記為εb(約為0.95)，輻射能量記為Eb，則：

(16)

式中：Vouto為在固定距離下，探測(cè)器對(duì)目標(biāo)的響應(yīng)；Voutb為相同距離下，探測(cè)器對(duì)面源黑體爐的響應(yīng)；εb為相同溫度以及相同波段下面源黑體爐的發(fā)射率數(shù)值。

系統(tǒng)正式測(cè)試前，需要利用面源黑體爐標(biāo)定探測(cè)器建立面源黑體爐溫度與Voutb離線數(shù)據(jù)庫(kù)。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，根據(jù)熱電偶接觸式測(cè)得目標(biāo)真實(shí)溫度查離線數(shù)據(jù)庫(kù)得到Voutb，然后根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得對(duì)象的Vouto數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)射率。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 RM-6A紅外熱敏電阻

系統(tǒng)采用的核心傳感器為RM-6A型紅外熱敏電阻型傳感器。該型傳感器接收外界紅外輻射能量時(shí)，其自身阻值會(huì)發(fā)生1～3 kΩ的變化。RM-6A熱敏電阻傳感器前端為特制的鍺鏡頭(凸鏡頭)，能夠讓盡量多的法線方向的平行入射的輻射信號(hào)對(duì)圖2(a)傳感器敏感元產(chǎn)生響應(yīng)，減少了非法線方向的入射輻射作用于傳感器敏感元從而減小測(cè)量誤差。傳感器內(nèi)部敏感元件對(duì)于2～16 μm波段的輻射能量有近似常數(shù)的響應(yīng)增益，電阻上方涂有高發(fā)射率的發(fā)黑涂層使得傳感器對(duì)于外界的輻射能量的吸收率高達(dá)95%以上。傳感器每次接受外界輻射都會(huì)產(chǎn)生圖2(c)的響應(yīng)，根據(jù)官方的手冊(cè)上的數(shù)據(jù)階躍響應(yīng)的上升時(shí)間大概1.8～3 ms，足以滿足實(shí)際的測(cè)試需求。

圖2 RM-6A紅外熱敏電阻

2.2 探測(cè)器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的測(cè)量探測(cè)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)了多次設(shè)計(jì)加工、實(shí)驗(yàn)測(cè)試多次得以成型，如圖3所示。為了解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)背景輻射干擾問(wèn)題，探頭最外側(cè)設(shè)置了熱屏，采用鋁合金和不銹鋼。熱屏抵御外部周邊輻射對(duì)傳感器的影響。探頭內(nèi)部設(shè)置有冷卻水回路保證傳感器接受待測(cè)目標(biāo)的紅外輻射而自身溫度不會(huì)發(fā)生較大的上升。為了準(zhǔn)確獲取傳感器的輻射信號(hào)，同時(shí)維持其工作點(diǎn)穩(wěn)定。傳感器前端安裝由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶有對(duì)稱60°開(kāi)口的葉片，直流電機(jī)以1 Hz的固定頻率旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了輻射信號(hào)的調(diào)制。

圖3 探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

探測(cè)器前端設(shè)置有帶螺紋的準(zhǔn)直管，準(zhǔn)直管內(nèi)壁通循環(huán)流動(dòng)的低溫水以降低準(zhǔn)直管溫度，外壁涂有高發(fā)射率材料吸收雜散輻射。準(zhǔn)直管的設(shè)計(jì)一方面用來(lái)消除背景輻射，另一方面減小輻射源的測(cè)量面積。理論上有效測(cè)量面越小，測(cè)量精度越高，但是測(cè)量面越小其發(fā)出的輻射功率也越小，每個(gè)傳感器都有最小可分辨功率，如果小于該值則無(wú)法測(cè)量[14]。圖4為準(zhǔn)直管結(jié)構(gòu)示意圖，圖中e1為雜散背景輻射，e2為測(cè)量窗口外輻射，e3為測(cè)量有效輻射可以直接作用于傳感器。由圖4可以看出e1及e2為主要的測(cè)量誤差來(lái)源,e1和e2中的部分輻射能量經(jīng)過(guò)反射會(huì)偏離核心傳感器。另有部分能量，設(shè)為ψ經(jīng)過(guò)多次(設(shè)為n次)反射最終會(huì)進(jìn)入傳感器，由于準(zhǔn)直管外壁涂有高發(fā)射率材料(ε>0.9)，最終進(jìn)入傳感器的能量為ψ(1-ε)n，所以當(dāng)準(zhǔn)直管長(zhǎng)度夠長(zhǎng)，最終背景輻射的影響便可以忽略。經(jīng)過(guò)大量理論研究和實(shí)驗(yàn)，我們選擇準(zhǔn)直管長(zhǎng)度為50 mm，內(nèi)徑為8 mm。由于大部分背景輻射能量會(huì)被準(zhǔn)直管外壁吸收，采用低溫循環(huán)水冷可以使準(zhǔn)直管保持低溫環(huán)境，進(jìn)一步降低測(cè)量誤差。

圖4 準(zhǔn)直管結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 硬件電路及測(cè)控軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要完成傳感器的溫度補(bǔ)償、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集以及與上位機(jī)通訊等工作。橋式電路的輸出端為mV級(jí)的微弱信號(hào)，如圖5所示。經(jīng)由四階巴特沃斯低通濾波器過(guò)濾掉了工頻干擾以及高頻噪聲，然后經(jīng)由10 000倍左右的線性放大最終得到1 Hz的方波信號(hào)。從圖1可以看到，傳感器阻值隨著自身溫度變化會(huì)出現(xiàn)較大的變化，從室溫下的約200 K變化到-15 ℃下最大為1 400 K，為了使系統(tǒng)能夠工作在較大的環(huán)境溫度范圍(-5～25 ℃)下，同時(shí)保證輸出不至于出現(xiàn)飽和，橋臂另一端的阻值必須實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償。電子系統(tǒng)采用電磁繼電器短接電阻串接I2C驅(qū)動(dòng)程控電阻的方式，利用ADC采集的輸出電壓采用PID算法反饋調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度補(bǔ)償，從而維持系統(tǒng)輸出基值在合理的電壓范圍。

圖5 硬件電路結(jié)構(gòu)圖

2.3.2 測(cè)控上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

整套發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)由4套探測(cè)器組成，基于Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊。上位機(jī)軟件每隔1 s輪詢每個(gè)探測(cè)器。為了保證數(shù)據(jù)獲取以及處理的實(shí)時(shí)性，上位機(jī)軟件采用多線程方式。分為數(shù)據(jù)通訊線程、界面曲線刷新線程、數(shù)據(jù)處理保存線程等。同時(shí)，設(shè)置了系統(tǒng)開(kāi)機(jī)故障檢測(cè)功能，以及使用日志等功能，保證系統(tǒng)可以可靠地運(yùn)行。上位機(jī)軟件是基于QT開(kāi)源界面庫(kù)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的核心探頭在使用之前需要利用標(biāo)準(zhǔn)面源黑體爐進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定完成之后，將標(biāo)定數(shù)據(jù)保存至PC。在上位機(jī)軟件收到下位機(jī)數(shù)據(jù)之后，利用滑窗濾波的方式對(duì)測(cè)量輻射信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，處理得到輻射數(shù)據(jù)之后利用標(biāo)定數(shù)據(jù)和推導(dǎo)的計(jì)算公式就能實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示待測(cè)對(duì)象的發(fā)射率數(shù)據(jù)。

3 發(fā)射率測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究

3.1 測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理

基于上述發(fā)射率測(cè)量原理，搭建了發(fā)射率測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。待測(cè)樣板置于加熱爐上，并在待測(cè)實(shí)驗(yàn)樣板上焊接2路熱電偶，接觸式測(cè)量樣板真實(shí)溫度，將探測(cè)器置于樣板上方適當(dāng)距離處，連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及上位機(jī)系統(tǒng)軟件，另外搭建好光譜儀測(cè)試光通路，兩者同時(shí)測(cè)量。測(cè)量原理實(shí)驗(yàn)框圖如圖6所示。

圖6 測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理圖

3.2 系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確性驗(yàn)證

3.2.1 樣板測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確性，選取了若干塊不同材料的金屬樣板，利用研制的發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量金屬樣板在不同溫度下的發(fā)射率。由于樣板的發(fā)射率數(shù)據(jù)會(huì)隨著樣板的溫度以及表面狀態(tài)不同而發(fā)生改變，因此為了準(zhǔn)確驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量精度，在系統(tǒng)測(cè)量的同時(shí)也利用2～25 μm的傅里葉光譜儀同時(shí)對(duì)待測(cè)樣板進(jìn)行測(cè)試。

利用傅里葉紅外光譜儀測(cè)試樣板發(fā)射率時(shí)，參考了文獻(xiàn)[16]的測(cè)試方法。首先利用光譜儀測(cè)得黑體爐在不同溫度點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù)，基于能量法計(jì)算樣板的光譜發(fā)射率，最終積分得到了樣板在2～16 μm波段內(nèi)的發(fā)射率。

圖7為輕微氧化的金屬鉻的發(fā)射率測(cè)量曲線，從測(cè)量數(shù)據(jù)曲線可以看出該金屬的發(fā)射率測(cè)量數(shù)值隨著金屬的溫度上升而緩慢變大，這基本符合金屬發(fā)射率隨溫度變化的一般特性。同時(shí)，利用傅里葉光譜儀的對(duì)照實(shí)驗(yàn)看出，兩者測(cè)量的誤差不超過(guò)0.03，證明了本系統(tǒng)測(cè)量發(fā)射率的準(zhǔn)確性。

圖7 金屬鉻發(fā)射率對(duì)比圖

圖8為經(jīng)過(guò)高溫氧化后的不銹鋼的發(fā)射率測(cè)試曲線。該材料發(fā)射率較高，達(dá)到0.8左右。從曲線上可以看出，本文所研制系統(tǒng)與傅里葉光譜儀測(cè)量同一材料時(shí)，所測(cè)的發(fā)射率數(shù)據(jù)誤差不超過(guò)0.05，測(cè)量數(shù)據(jù)隨著溫度緩慢上升的趨勢(shì)也符合金屬發(fā)射率隨溫度變化的一般規(guī)律。

圖8 氧化后的不銹鋼發(fā)射率對(duì)照?qǐng)D

3.2.2 黑體等效法驗(yàn)證

驗(yàn)證系統(tǒng)發(fā)射率測(cè)量準(zhǔn)確性一般使用標(biāo)準(zhǔn)樣板，但是標(biāo)準(zhǔn)樣板保存困難，而且在進(jìn)行一次校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)之后其發(fā)射率會(huì)發(fā)生改變將不可再次使用。于是，我們?cè)趯?shí)際校準(zhǔn)時(shí)采用黑體等效法，黑體等效法是通過(guò)黑體爐來(lái)間接驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)正確性的一種方法，可以代替標(biāo)準(zhǔn)樣板。其原理是輻射量保持不變，某塊發(fā)射率為ε1的標(biāo)準(zhǔn)樣板在溫度為T1時(shí)發(fā)出的輻射能量等于面源黑體爐在Tb下發(fā)出的輻射能量(面源黑體爐發(fā)射率約為0.95且較為穩(wěn)定)。

(17)

(18)

式中：ε1為面源黑體爐發(fā)射率；c1、c2為第一、第二輻射常數(shù)；T1、Tb為面源黑體爐的2個(gè)溫度點(diǎn)。

設(shè)定Tb=200、400 ℃，根據(jù)黑體等效法計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。

表1 Tb=200 ℃時(shí)黑體等效法驗(yàn)證結(jié)果

表2 Tb=400 ℃時(shí)黑體等效法驗(yàn)證結(jié)果

從表1和表2可以看出，溫度較低時(shí)系統(tǒng)發(fā)射率測(cè)量誤差最大為0.055，溫度較高時(shí)發(fā)射率測(cè)量會(huì)更加準(zhǔn)確，誤差更小。總體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)測(cè)量誤差均小于0.06。

4 結(jié)論

本文介紹了基于RM-6A紅外熱敏電阻實(shí)現(xiàn)的發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)。該型發(fā)射率測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)進(jìn)行在線的發(fā)射率測(cè)試。探測(cè)器的準(zhǔn)直管以及循環(huán)水冷設(shè)計(jì)可以有效地減弱工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)背景輻射對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響，反饋式程控電阻溫度補(bǔ)償將傳感器的工作溫度范圍拓寬到-5～25 ℃。利用發(fā)射率測(cè)試系統(tǒng)和傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行大量樣板對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的發(fā)射率測(cè)量誤差低于0.06，有較好的測(cè)量精度。