波长外推法在多波长温度测量中的应用

　　多波长测温法是使用不同波长下的数个通道的测量数据,经过分析计算得到物体的真温以及发射率。光谱仪扫描得到的数据可以达到几百个以上,波长外推法可以充分利用这些数据,在某些情况下可以实现高准确度的温度测量。

　　1　波长外推法的基本原理[1]

　　由普朗克定律可知

式中:Lλ为测量得到的单色辐射力;ελ为材料的光谱发射率; c1, c2为第一、第二辐射常数;λ为波长;T为绝对温度。

　　经过移项、两边取对数等步骤,能够得到

　　若ελ与波长无关,则能够拟合出一条直线,其横坐标为λ,纵坐标为y,斜率为根据拟合出的直线信息,就能够由斜率求得材料的光谱发射率;当λ=0时,即直线在y轴上的截距就是温度的倒数。

　　2　研究装置及方法

　　本文主要的测量装置为光谱仪、黑体炉以及高温平面炉。光谱仪用来扫描被测目标的光谱,黑体炉用来对光谱仪进行标定,高温平面炉模拟被测目标。

　　测量时,首先使用光谱仪对黑体炉某一已知温度进行扫描,通过计算,得到光谱仪整体的光谱响应。这是一个对光谱仪标定的过程。进而对目标进行扫描,使用波长外推法处理得到目标温度,并与目标上布置的6组热电偶测温平均值进行对比,分析测量结果。

　　3　数据分析及处理

　　3·1　光谱响应的标定[2]

　　由于光谱仪扫描得到的曲线是光电倍增管的电压值,光电倍增管的响应曲线又并非平直,再加上光栅光谱仪的光谱透过率也非定值,因此,需要建立输出电压Vλ与单色辐射力Lλ之间的一一对应关系,才能进行下一步的计算。这种对应的关系称为仪器的光谱响应。即光谱响应

　　理论上,测试装置的光谱响应为常数,使用黑体炉在1200℃(1473·15K)时光谱仪扫描得到的数据来标定光谱响应。根据普朗克定律,可以求得黑体在1200℃时理论上的单色辐射力Lλ,使用光谱仪对黑体炉进行扫描,能够得到光电倍增管的输出电压Vλ。二者相比得到光谱响应Aλ曲线,如图1所示。

　　3·2　被测目标单色辐射力Lλ的获得及方程拟合

　　标定了光谱仪的光谱响应之后,就可以由得到光谱范围内的单色辐射力。

　　对高温平面炉的某一未知温度进行测量,得到的光谱仪扫描输出如图2所示。

　　用求得的光谱响应曲线和光谱仪输出曲线,可以得到该温度下平面辐射炉的单色辐射力Lλ。

　　将单色辐射力Lλ代入式(4),就可得到y随λ变化的曲线。并可进一步得到根据最小二乘法进行拟合之后的直线。以测量温度894·09℃为例,y随λ的变化曲线及最小二乘后的拟合结果,如图3所示。