利用激光实时测量高温物体比辐射率及温度的系统讲课稿.doc
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1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。利用激光实时测量高温物体比辐射率及温度的系统-利用激光实时测量高温物体比辐射率及温度的系统施德恒陈玉科提要:本文介绍了一种利用激光作为光源,以8031单片机为核心构成的高温物体比辐射率及温度实时测量系统。该系统主要由光学接收与发射系统、信号放大与处理系统及显示系统三部分组成。文中详细介绍了该系统的工作原理和基本结构,讨论了其中的技术难点及其相应的解决方法,分析了有、无激光脉冲时探测器测得的L2、L1及监测光路探测器测得的E的精度对比辐射率及温度测量精度的影响。关键词:比辐射率,半导体激光器,辐射温度计,
2、高温测量,实时测量Anintelligentmeasurementinstrumentofspecificradianceandtemperatureofhightempera-tureobjectusinglaserinreal-timeShiDehengChenYuke(DepartmentofFoundation,TheFirstAeronauticalCollegeofAirforce,Xinyang464000)Abstract:Thispaperpresentsanewkindoftheintelligentspecificradianceandtemperaturemeasure
3、mentinstrumentusinglaserasalightsourceandusing8031chipprocessorinreal-time.Thisinstrumentconsistsofthreeparts:opticalemittingandreceivingsystem,signalamplifyingandcontrollingsystem,anddisplaysystem.Indetail,opticalemittingandreceivingsystemismainlycomposedoflaserdiode,collimatorlens,extenderlens,bea
4、msplittingmirror,focusinglens,modulatingdisk,receivinglens,filtermoduleandSi-pinphotodiode.Thesignalamplifyingandcontrollingsystemismainlycomposedofsignalamplifier,samplingholdcircuit,multi-channelsimulatedswitch,A/Dconverterand8031chipprocessor.Andthedisplaysystemismainlycomposedofindicator,printer
5、andI/Ocircuit.Thestructureandtheprincipleoftheinstrumentareintroduced.Thekeytechnologies,thecorrespondingsolutionmethodsarediscussed.Theeffectonspecificradianceandtemperaturemeasurementprecisionareanalyzed.Keywords:specificradiance,laserdiode,radiationthermometer,high-temperaturemeasurement,real-tim
6、emeasurement1引言工业生产中的许多高温物体,如运动的轧件,由于始终处于运动状态,因而难以用接触式高温计长期对其进行温度测量;使用常用的辐射温度计虽能克服接触测温中的某些弊端,但由于高温物体的比辐射率易受波长、温度、环境的辐射与反射、测量角度、以及表面状态(组分、氧化度、表面粗糙度)等多种因素的影响1,2,因而实际应用中难以对其进行及时准确的现场修正,所以也存在着较大的测温误差。目前,虽已研制出多种双色温度计3,4,5,从而避开了比辐射不易准确测量等难题,但由于这些温度计价格昂贵,因而难以在工业生产中推广使用。文6曾研究过利用激光作为光源实时测量比辐射率的系统。但该系统只有与辐射能测
7、量系统配合使用,才能测出高温物体的真实温度。一方面,该系统与辐射能测量系统彼此独立,难于同时瞄准同一位置;另一方面,又要求与该系统配合使用的辐射能测量系统必须有与之相同的工作波长,因而应用时也面临许多困难。本文所述的这一测量系统,也使用激光作为测量光源,通过采用适当的仪表结构与软件技术,巧妙地克服了上述弊端,从而可同时得到了高温物体的比辐射率及其温度,误差分析表明,该系统的温度及比辐射率测量的标准误差及相对误差均令人满意。2原理2.1比辐射率的测量图1同时测量与T时,激光器与探测器的布置方法如图1所示,激光器与探测器对称地放置于被测高温物体表面法线的两侧,当无激光束进入探测器时,探测器接收到的
8、仅是高温物体的辐射能L1=L(1)式中,是温度为T的待测高温物体在波长处的比辐射率;L是温度为T的黑体在波长处的单色辐射能。当有激光束进入探测器时,探测器接收到的能量则由待测面反射的激光能量和高温物体辐射的红外能量这两部分组成L2=L+E(2)式中,为被测高温物体的表面反射率;为高温物体表面镜面反射特性的光学校正系数;E为入射高温物体表面的激光能量。由基尔霍夫(Kirchhoff)定律,显然有=1-(3)由(1)、(2)、(3)三式,容易导出因此,只要监测到入射高温物体表面的激光能量E,有、无激光时探测器分别接收到的光能量L2、L1,即可算出。2.2温度的测量由黑体辐射公式L=2hc2-5ex
9、p(hc/kT)-1-1(5)结合(1)式可以导出式中,k为Boltzmann常数,k=1.3810-23J.k-1;h为Planck常数,h=6.62610-34J.s;c为光速,c=2.998108m*s-1。显然,只要由(4)式求出,即可算出待测高温物体的温度。3系统描述3.1总体结构该系统主要由光学发射与接收系统、信号放大与处理系统及显示系统三部分组成,其原理结构简图见图2。图2系统的原理结构简图3.2工作过程仪器工作时,由半导体激光器产生的连续激光束,先由准直镜准直、扩束镜扩束、再由调制盘斩波、分束镜分束后发射出去。一方面,检测接收镜头接收到的脉冲光信号,由截止滤光片及窄带干涉滤光片
10、滤光后。再经由SiPin光电二极管构成的光电转换系统转变成电信号。此电信号先经电压跟随放大电路放大、再经模数转换电路模数转换后送入8031单片机系统;另一方面,由分束镜分出的一部分脉冲激光能量,将直接由SiPin光电二极管构成的光电转换系统转变成电信号。此电信号经电压跟随放大电路放大、模数转换电路模数转换后也送入8031单片机系统,按照编定的软件进入数据处理。计算结果可直接显示或打印出来,也可绘制、打印成某一段时间内比辐射率及温度的变化曲线,同时也可通过接口将有关数据远传显示。电路中所需的各种触发与同步信号,均由同步光电系统产生:透过调制盘上镶嵌的同步滤光片的光信号,先由SiPin光电管构成的
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