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3 討論
3·1 基于探測器的相對測溫靈敏度的考慮
待測溫度每變化1 K時,號電平的變化量(本文即P1或P2的變化量)稱為系統的溫度靈敏度S[8,9]。即
不失一般性,同時也為簡單起見,以反射鏡不起作用時的情況(P1)為例進行討論。此時探測器輸出的電號的強度V(T)可寫成[8,9]
由式(12)作出的Sr~λT曲線如圖3所示。由圖3可以導出,在λT=2 898μm·K附近,系統正好工作在Sr~λT曲線的峰值區(qū)域。這就是說,對PIN硅光電二極管而言,只要待測溫度不高于T≈2 898/1·1=2 634 K,探測器的輸出號就處于靈敏區(qū)域。亦即,只要被測溫度有小的變動,就能引起Sr較大的變化。顯見,采用PIN硅光電二極管作光接收器件,肯定能滿足測溫范圍的高溫段對測溫靈敏度的要求。
3·2 基于探測器的溫度分辨率的考慮
據式(1),在極窄的波段內,當待測溫度改變ΔT時,容易導出系統接收到的輻射能的變化時,才能引起探測器的響應。式中,VS/VN為噪比,在推算系統的溫度分辨率時,取VS/VN=1;Δf為后續(xù)的選頻放大器的帶寬。將式(6)、式(13)、式(14)及式(15)代入式(16)中,并考慮極限情況,可以導出
上式中的ΔT即為探頭的溫度分辨率。
下面進行定量分析。對于實際的測量環(huán)境,取大氣的衰減系數τ0=0·85,光學系統對光的總透過率τλ=0·50,調制盤的調制系數η=0·80、PIN光電二極管的探測率D*=5·0×1012cm·Hz1/2·W-1、靈敏元面積A=5 mm×5 mm[10],選頻放大器的帶寬Δf=10Hz,光學系統的焦距f′=15 cm,通光口徑D=10 cm。為分析上的方便,同時也不失一般性,取ελ=0·50、Δλ=20 nm代入計算。在不同的待測溫度下,由式(17)作出的探測器的溫度分辨率隨波長的變化曲線,如圖4所示。
由圖4顯見:(1)探測器的溫度分辨率隨系統工作波長的增加而變高。例如,對于T=773 K而言,λ=0·60μm時,系統的溫度分辨力ΔT=1·662 K,顯然不符合要求。但當λ=0·80μm時,ΔT=0·004 K,顯然符合要求;(2)當待測溫度足夠高時,例如待測溫度T=923 K,λ≥0·70μm的波長都能滿足要求。
3·3 基于抑制光路中選擇性吸收氣體吸收影響的考慮
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2 儀器結構與測溫原理
2·1 測量原理
如圖1所示,反射鏡與探測器對稱地置于待測表面法線的兩側。當反射鏡不起作用時,探測器接收到的輻射能P1為
式中:D為光瞳口徑,f′為光學接收系統的焦距,τ0為大氣的傳播系數,A為探測器的靈敏元面積,η為調制盤的調制系數,ελ為溫度為T的待測目標在波長λ處的發(fā)射率,Lλ為溫度為T的黑體在波長λ處的輻射出射度,τλ為光學系統對波長為λ的光的總透過率。
當反射鏡起作用時,反射鏡將紅外輻射反射回待測區(qū)域的單色輻射能為
并結合式(1)或式(2),即可求出待測表面的溫度。式(6)中,h為Planck常數,k為Boltzmann常數,c為光速。
2·2 儀器結構
該儀器主要由光學接收系統、號放大與處理系統及顯示系統三部分組成。工作時,接收鏡頭接收到的光號(P1、P2),經窄帶干涉濾光片濾光后,再經由PIN硅光電二極管構成的光電轉換系統轉換成電號。該號經前置放大、選頻放大、脈寬壓縮、模-數轉換后送入8031單片機系統進行數據處理,計算出待測表面的發(fā)射率及溫度。
電路中所需的各種觸發(fā)與同步號,均由同步光電系統產生:透過調制盤上鑲嵌的同步濾光片的光號,先經光電轉換系統轉變成電號,再經整形放大后送入8031單片機,適當延時后分別去觸發(fā)、同步各個需要觸發(fā)和同步的號。
調制盤的結構簡圖見圖2。其中1、2、4號窗口貼的是波長為0·80μm的窄帶干涉濾光片(帶寬20nm)。3號窗口貼的是波長為1·00μm的濾光片,帶寬約0·1μm(無嚴格要求)。5、6號窗口貼的是波長為1·00μm的濾光片(帶寬也無嚴格要求)。調制盤的轉速為1 200 r/min。
調制盤的具體調制情況如下:(1)當待測表面的光輻射透過3號窗口到達反射鏡、并由反射鏡反射后再次穿過3號濾光片回到待測區(qū)域時,1號窗口正對探測器。對于這種情況,反射鏡不起作用。這是因為透過3號濾光片后又回到待測區(qū)域的光的中心波長為1·00μm,帶寬約0·1μm。而1號窗口只能通過中心波長為0·80μm、帶寬僅20 nm的光,因此探測器接收到的僅是“直射”能(P1);此時,由5號窗口透過的光輻射形成觸發(fā)、同步號;(2)當待測表面的光輻射透過4號窗口到達反射鏡、并由反射鏡反射后再次穿過4號窗口回到待測區(qū)域時,2號窗口正對探測器。對于這種情況,反射鏡起作用。探測器接收到的是“直射”能與“反射”能之和(P2);此時,由6號窗口透過的光輻射形成觸發(fā)、同步號;(3)當待測表面的光輻射透過1號窗口到達反射鏡時,3號窗口正對探測器。情況與(1)類似,不同的只是探測器接收到的是波長為1·00μm的光輻射。后續(xù)電路雖對該號進行放大處理,但因模-數轉換電路沒有觸發(fā)號和同步號,因此不對其進行模-數轉換;(4)當待測表面的光輻射透過2號窗口到達反射鏡時,4號窗口正對探測器。情況與(3)類似,不同的只是探測器接收到的是波長為0·80μm的光輻射。后續(xù)電路雖對該號進行放大處理,但同樣因模-數轉換電路沒有觸發(fā)號和同步號,故不對其進行模-數轉換。
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