（光学工程专业论文）利用非接触红外测温技术测量火焰温度.pdf

t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o rt h em a s t e r sd e g r e e f l a m e t e m p e r a t u r em e a s u r m e n t b a s e do ni n f r a r e d t h e r m o m e t r i c t e c h n i q u e b y l ix i a n g s u p e r v i s o r w e iz h e n j a n 2 0 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特, 另j j d i ：i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗堡墨太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名力嘲 签字日期：伽i 。年 f 月j l 厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗堡兰太至有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡墨盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：二鸯何訇 导师签名： 熬蒜 签字日期：纠d 年 f 月c 譬日 签字日期：矽f o 年，月w 日 摘要 火焰温度是燃烧过程中最重要的热力学参数之一。现今，国家大力提倡- j l 一! - t h 匕p 减排。 汽车工业方面，提倡降低汽车的尾气排放，鼓励开发设计低污染的、高效的新型车用发 动机；煤电产业方面，倡导提高电站燃煤锅炉煤粉燃烧的稳定性、清洁性及经济性。而 火焰温度不仅关系到燃烧效率和燃烧的稳定性，还关系到污染物的生成和排放。火焰温 度测量技术的研究有助于提高燃烧效率，改善燃烧性能，从而减少污染。此外，对于各 种战略战术武器发射平台的设计，发动机燃气流的火焰温度直接影响着设计指标和达到 指标的途径。因此，准确的测量火焰温度，无论对汽车、煤电工业，还是战略战术武器 发射平台都有重要的意义。 作为一种重要的火焰温度测量方法，非接触红外测温可充分利用火焰自身辐射特 性，在测温范围、准确度、适应性、选择性及物理量综合测量等方面有不可比拟的优势。 本文在现有红外测温方法基础上，以增大测温范围、提高测量准确度和适应性为主要目 的，设计出可适用于复杂环境、准确度高、稳定的测量系统。 火焰温度测量系统的硬件设计部分，首先对火焰的红外光谱进行了测量，确定了双 波长的选取范围，作为选择红外光学探测器的选择依据；然后对探测器接收到的信号进 行了调理，主要涉及到信号的放大，滤波以及整形；最后选择合适的数据采集卡，将信 号输入计算机，待后续处理。 火焰温度测量系统的软件设计部分，运用l a b v i e w 软件，设计了包括双通道数据 采集功能模块、双波长测温功能实现模块、数据保存模块、数据回放功能模块以及仪器 标定功能模块在内的五个系统模块，实现了双波长测温功能。 利用该系统对蜡烛火焰进行了实际测量，针对测量值与参考标准值对误差进行分 析，并提出改进方法。 关键词：红外测温火焰温度双波长测温l a b v i e w a b s t r a c t f l a m et e m p e r a t u r ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r si nb u r n i n g p r o c e s s n o w a d a y s ，e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o na r es t r o n g l ya d v o c a t e d i nt h e a u t o m o b i l ei n d u s t r y , i ti sa d v o c a t e dr e d u c i n gt h ee m i s s i o no fc a re x h a u s t a n dt h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to fh i g he f f i c i e n c y , n e wa n dc l e a n e rv e h i c l ee n g i n ea r ee n c o u r a g e d i nt h ec o a l a n dp o w e ri n d u s t r i e s ，i ti sa d v o c a t e di m p r o v i n gt h es t a b i l i t y , c l e a n l i n e s sa n de c o n o m yo ft h e c o m b u s t i o ne f f i c i e n c yi nt h ec o a l f i r e dp o w e rs t a t i o n t h ef l a m et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yr e s e a r c hi sh e l p f u lt oi m p r o v ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c y , i m p r o v ec o m b u s t i o na n dt o r e d u c ep o l l u t i o n i na d d i t i o n ，f o rav a r i e t yo fs t r a t e g i ca n dt a c t i c a lw e a p o n sl a u n c hp l a t f o r m d e s i g n ，t h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n sa n dt h ew a y st om e e tt h ed e s i g nt a r g e t sc a nb ea f f e c t e d d i r e c t e l yb y t h et e m p e r a t u r eo ft h ee n g i n e sg a sf l o w t h e r e f o r e ，t h ea c c u r a t em e a s u r e m e n to f f l a m et e m p e r a t u r ei sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h ec o a la n dp o w e r i n d u s t r i e sa n dt h es t r a t e g i ca n dt a c t i c a lw e a p o nl a u n c hp l a t f o r m t h ef l a m er a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e i ro w nc a nb et a k e nf u l l ya d v a n t a g eo fb y n o n c o n t a c ti n f r a r e dt h e r m o m e t r i ct e c h n i q u e s ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tm e t h o do ff l a m e t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t t h e r ea r eu n p a r a l l e l e da d v a n t a g e si nt h et e m p e r a t u r er a n g e ， a c c u r a c y , a d a p t a b i l i t y ，s e l e c t i v i t ya n dt h ec o m p r e h e n s i v em e a s u r e m e n to fp h y s i c a lq u a n t i t i e s b a s e do nt h ee x i s t i n gi n f r a r e dt h e r m o m e t r i ct e c h n i q u e s ，i no r d e rt oi n c r e a s et h et e m p e r a t u r e r a n g e ，i m p r o v em e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n da d a p t a b i l i t y , am e a s u r e m e n ts y s t e mw h i c hi s s u i t a b l ef o rc o m p l e xe n v i r o n m e n t s ，w i t hh i 曲a c c u r a c ya n ds t a b l i l t yi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r i nt h eh a r d w a r eo ft h ef l a m et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e md e s i g np a r t ，f i r s t l y , t h e i n f r a r e ds p e c t r u mo ft h ef l a m ew a s m e a s u r e d ；t h es e l e c t i o no ft h es c o p eo fd u a l w a v e l e n g t ha s t h ep r o o fo fa na l t e r n a t i v ec h o i c eo fi n f r a r e do p t i c a ld e t e c t o r sw a sd e t e r m i n e d t h e nt h e r e c e i v e ds i g n a lw a sc o n d i t i o n e d ，s u c ha ss i g n a la m p l i f i c a t i o n ，f i l t e r i n ga n ds h a p i n g f i n a l l y t h ea p p r o p r i a t ed a qc a r dw a ss e l e c t e d i nt h es o f t w a r eo ft h ef l a m et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e md e s i g n p a r t ，u s i n g l a b v i e w s o f f w a r e w e ，f i v em o d u l a r st oa c h i e v ead u a l - w a v e l e n g t ht e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t f u n c t i o nw e r ed e s i g n e d t h e ya r et h em o d u l eo fd u a l - w a v e l e n g t hd a t aa c q u i s i t i o n ，t h em o d u l e o fd u a l w a v e l e n g t ht e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tr e a l i z a t i o n ，t h em o d u l eo fd a t as a v i n g ，t h e m o d u l eo fd a t ap l a y b a c k ，a n dt h em o d u l eo fi n s t r u m e n tc a l i b r a t i o n a a c t u a lm e a s u r e m e n to ft h ec a n d l ef l a m et e m p e r a t u r ew a sc a r r i e do u tu s i n gt h i ss y s t e m t h ee r r o rw a sa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dv a l u e sa n dt h er e f e r e n c es t a n d a r dv a l u e s t h ei m p r o v e m e n tw a sp r o p o s e d k e yw o r d s ：i n f r a r e d t h e r m o m e t r i c t e c h n i q u e s ，f l a m et e m p e r a t u r e ，d u a l w a v e l e n g t h t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，l a b v i e w 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 1 1 火焰温度测量的重要性1 1 1 2 火焰的分类及主要测量方法1 1 2 国内外发展现状4 1 3 本论文的主要工作5 第二章非接触式红外测温技术6 2 1 红外辐射原理6 2 1 1 基尔霍夫热辐射定律6 2 1 l2 黑体辐射规律6 2 1 3 非黑体辐射8 2 2 几种基本红外辐射测温方法9 2 3 发射率对红外测温仪的影响11 2 4 本文采用的方法1 l 2 5 对新方法理论基础的探讨1 3 2 6 本章小结1 3 第三章火焰温度测量系统设计1 4 3 1 火焰的红外光谱分析1 4 3 1 1 光谱分析基本原理1 4 3 1 2 火焰红外发射光谱测量1 5 3 2 光学系统的设计1 6 3 3 红外光学探测器的选择1 8 3 3 1 热探测器1 9 3 3 2 光子探测器1 9 3 3 3 设计所用探测器2 1 3 4 信号调理电路设计2 l 3 4 1 信号的放大2 2 3 4 2 信号滤波电路2 2 3 4 3 信号的整形2 3 3 4 4 电源电路2 3 3 5 数据采集卡的选择2 3 3 6 本章小结2 4 第四章系统的软件设计与实现2 5 4 1 虚拟仪器技术及软件开发平台2 5 4 1 1 虚拟仪器技术2 5 4 1 2 用l a b v i e w 设计虚拟仪器的方法2 6 4 2 系统的程序结构2 7 4 3 系统软件的实现2 8 4 3 1 双通道数据采集功能模块2 8 4 3 2 双波长测温功能实现模块2 9 4 3 3 数据保存功能模块3 1 4 3 4 数据回放功能模块3 3 4 3 5 仪器标定功能模块3 5 4 4 实验结果3 7 4 4 1 软件功能3 7 4 4 2 实验及结果分析3 8 4 5 本章小结4 1 第五章总结与展望4 2 参考文献4 4 发表论文和科研情况说明4 7 致谢4 8 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 1 1 1 火焰温度测量的重要性 第一章绪论 火焰温度是燃烧过程中最重要的热力学参数之一。因此，对火焰温度测试技术的研 究具有非常大的意义。现今，国家大力提倡节能减排。在汽车工业方面，提倡降低汽车 的尾气排放，鼓励开发设计低污染的、高效的新型车用发动机；在煤电产业方面，倡导 提高电站燃煤锅炉煤粉燃烧的稳定性、清洁性及经济性【l 】。而火焰温度不仅关系到燃烧 效率和燃烧的稳定性，还关系到污染物的生成和排放，火焰温度测量技术的研究有助于 提高燃烧效率、改善燃烧性能，减少污染【2 】。此外，对于各种战略战术武器发射平台的 设计，发动机燃气流的火焰温度直接影响着设计指标和达到指标的途径【i j 。火箭飞行或 固体发动机在试车时，燃烧产物经喷管加速后喷出的火焰称为羽焰。喷出的物质大多属 于推进剂燃烧，但也包括衬层和绝热层的裂解及喷管材料的烧蚀等产物【z j 。而喷管外流 场是非常复杂的，其温度分布是不均匀的。羽焰温度的测量对于分析参数状态、探讨能 量损失以及研究侵蚀燃烧具有参考意义【3 】，同时它也可以验证羽焰流场的计算机建模是 否正确，指导羽焰流场远场建模。火箭发动机喷口的温度对喉衬材料的选取、增加比冲 有重要意义【l 】。在各种导弹武器的矢量控制技术中，火箭羽焰温度对各部件的影响也是 不可忽视的【l 】。因此，准确的测量火焰温度无论对汽车、煤电工业，还是战略战术武器 发射平台都有重要的意义。 1 1 2 火焰的分类及主要测量方法 火焰是燃烧物在燃烧的过程中发生的现象 4 1 。可燃的固体或者液体受热变成气体后 燃烧形成火焰。单位时间单位体积内放出大量的热量，使得反应物温度升高到发光的温 度是产生火焰的必要条件。换句话说，火焰实质就是在气相中剧烈氧化、放出大量的热 并且发光的物理化学过程 4 1 。 根据火焰辐射光谱的不同特点，火焰分为以下两类。 ( 1 ) 发光火焰 发光火焰辐射连续光谱，范围为o ，在可见光频带内有辐射。 ( 2 ) 透明火焰 透明火焰辐射带状或线状光谱，范围多在红外区段。 而根据火焰结构的不同，火焰又分为以下两类： 第一章绪论 ( 1 ) 预混火焰 预混火焰的特点是：气态的燃烧剂和氧化剂在进入火焰反应区前已经混合均匀。由 于其传播速度受化学反应和流体动力学过程的控制，预混火焰又分为湍流和层流预混火 焰两类【4 i 。 ( 2 ) 扩散火焰 扩散火焰的特点是：气态的燃烧剂和氧化剂在进入火焰反应区前处于分离状态，在 进入反应区后经混合后再燃烧。 由于火焰发光原理不一，且发射的光谱具有多样性。火焰温度的测量方法主要分为 接触式测温与非接触式测温两类，如图1 1 所示。 冀薹薹 卒擘 薹蓁 蓁 萋 广* 南法 囊 蓁霪 蓁蓁萋耄篓蓁 薹 囊 | 蓁 鎏鎏耋耋囊梨綦攀翼 藿 法照千光光光栏短 相涉潜潜醋 图1 1 火焰温度测量方法分类 f i g 1 1c l a s s i f i c a t i o no ff l a m et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tm e t h o d ( 1 ) 接触式测温 接触式测温中，具有代表性的就是热电偶测温。热电偶由不同材料的金属合金导体 构成，当导体两端存在温度差异时，会产生电势差，而此电势与导体两端的温度差呈函 数关系。当热电偶的热端与被测对象达到热平衡，另一端处于恒定已知温度时，就可以 通过电势差推算出被测对象的温度。微型热电偶测温分为嵌入热电偶法和表面拉紧热电 偶法。利于热电偶测温具有结构简单，测量可靠的优点。但是，热电偶用于火焰温度的 测量存在着以下缺点：需要直接接触被测火焰，现在采用的热电偶一般为铂铑铂或钨 铼钨热电偶，一般来说只能测低压( 1 ，普朗克公式近似为维恩公式； c 2 当五很大时，e a t 按泰勒级数展开后取前两项，普朗克公式近似为瑞利一金斯公式。 普朗克定律主要描述的是黑体辐射的光谱分布规律，它与描述辐射光谱移动规律的 维恩位移定律、描述辐射功率随温度变化规律的斯蒂芬一玻尔兹曼定律被认为是黑体辐 射的三大定律。 维恩位移定理：揭示黑体辐射光谱分布的峰值波长厶随其绝对温度丁成反比移动， 即 以t = 2 8 9 7 8 t m k ( 2 6 ) 斯蒂芬一玻尔兹曼定律：描述了黑体单位表面积向整个半球空间发射的所有波长的 总辐射功率随其温度的变化规律。 十巴 m = im 名( r ) c t g = o t 4 ( 2 7 ) i 式中，仃= 5 6 7 0 51x1 0 8 w ( m 2 k 4 ) 。 2 1 3 非黑体辐射 如前所述，黑体是一种理想模型，实际上，测量对象皆为非黑体，即发射率或光谱 发射率是一个小于l 的j 下数。其中，光谱发射率是一个与波长无关的常数的物体被称为 “灰体”；光谱发射率随波长变化，这种物体被称为“选择性辐射体 。实际上，绝大多 数辐射体都属于选择性辐射体。但是如果在某波段内某选择性辐射体的发射率变化不 大，则在该波段内其可以被看作为灰体。 前面介绍的定律都是针对于黑体辐射的，如果要把黑体辐射定律直接用于实际测 量，就需要借助发射率修正。 普朗克定律表示为 1 e o ( 4 ，t ) = 8 ( 4 ，r ) c , z 。5 ( 2 8 ) e 嚣一1 斯蒂芬一波尔兹曼定律表示为 m = 8 ( a ，t ) o t 4 ( 2 9 ) 而在实际应用中，发射率8 ( 4 ，丁) 本身与被测物体的材料性质、表面状态、辐射波长、 实际温度以及辐射条件、环境因素等均有着复杂的关系，无法写出它的函数表达式。因 此，通过发射率修正来间接找出被测对象的热辐射规律，遇到了“发射率修正困难 ， 这使得红# i - n 温技术的发展遇到了困难。 8 第二章1 卜接触式红； i - n 温技术 2 2 几种基本红外辐射测温方法 根据黑体辐射的基本定律可以制成多种辐射测温仪，例如亮度测温仪、比色测温仪 和全辐射测温仪等。但是正因为基础是黑体辐射定律，这些测温仪是以黑体作为参考， 经标定后使用的。实际被测物体不是黑体，需要借助发射率来描述实际被测物体的辐射 能力与同温度下黑体的辐射能力的接近程度，测得的温度都不是物体的真实温度。基本 的辐射测温方法分为三种：如果仪器是根据某一特征波段上的辐射而定温，测得的就是 物体的亮温；如果仪器是根据两个或者多个特征波段的辐射而定温，测得的就是物体的 色温；如果仪器是根据所有波长范围内的总辐射而定温，测得的就是物体的辐射温度h o i 。 ( 1 ) 亮度测温法 物体的亮度温度是指在某一波长五附近一窄光谱范围，用与它有相同辐射功率的黑 体的温度所表示的温度。 根据维恩近似，旯r 1 ，普朗克公式此时可以近 似为维恩公式 ，丑( a ，t ) = c l 元一e x p ( 一c 2 力r ) ( 2 2 4 ) 如果将波长取为定值厶，则上式可表示为 式中，, 4 0 = c l & 5 , b o = 一c 2 厶 m 廿= f ( t ) = a o e ( 2 2 5 ) 第二章非接触式红外测温技术 显然式( 2 2 5 ) 是维恩公式的一种特殊形式，仍然只适用于黑体。但是从该式的指 数函数形式可以看出，如果将4 ，玩视为可变参数，就可以将这种指数形式的函数推 广到狄体，即灰体的光谱辐射度为 m 7 - = a e 鲋r ( 2 2 6 ) 换句话说( 2 2 6 ) 是物体光谱辐射度与温度关系的一般公式。当被测物体为黑体时， a = c i 厶一，b = 一c 矗；不同的物体对应不同的彳，b 值。这是本文提出的新方法。 与传统红外测温仪测温方法相比较，传统方法是通过发射率修正实现黑体到非黑体 的推广，可认为是从“特殊 向“一般”推理。此法虽然可行，却被( 允，t ) 限制了精确 度；新方法则是在承认其普遍规律的基础上具体问题具体分析，通过改变彳，b 两个参 数实现避开发射率修币的测温过程。 由于火焰温度测量环境特殊，复杂的周围环境和中间介质影响较大，而比色测温法 受环境影响相对较小。将这一假设应用于比色测温中，两个通道分别输出的两个波长对 应的辐射信号为 巧k 1 4 p 马仃 ( 2 2 7 ) = k 2 4 泸7 r ( 2 2 8 ) 式中，k ，e 分别为两通道的仪表常数。 两个通道的信号的比值r 为 肚吾= 等刊7 ( 2 2 9 ) kk ，4 p 如“ 、 此时的丁为被测物体的真实温度。 在实际测量中，受信号强弱的影响，所取带宽不能被忽略，得到的并不是a 与五两 个单色波长处的值，因此两通道的比值尺应为 + 矾2 + 酗2 fk l m ( 兄，t ) d zfk , a 1 ( a ) e 州舢仃d 3 , r = 筹鬻一= 去筹l 一= 厂( r ，a ，b ，c ，d ) ( 2 3 0 ) f k 2 m ( 2 ，t ) d 2 f 互4 ( 力) p 蹦旬玎d ) t 如一豇，2 如一况，2 上式中，以，以分别为两波长处的测量带宽。与式( 2 2 6 ) 一样，式( 2 3 0 ) 也是描 述一般物体热辐射规律的一般公式。由此可看出，物体的辐射度j r 由包括r 在内的至少 五个参数确定。 综上所述，在传统红外测温方法中，需用实验方法研究黑体的热辐射规律，通过“发 射率修j 下 ( 间接地) 找出被测对象的热辐射规律。这种方法看似简单，却遇到了“发 射率修正困难”的问题。 改进的比色测温法，或称改进的双波长测温法的创新之处是：直接利用实验方法来 研究被测对象的热辐射规律，并利用该规律实现测温，不需再进行发射率修正。 1 2 第二章非接触式红外测温技术 2 5 对新方法理论基础的探讨 在物理基础方面，新方法的基本假设是：各种物体的热辐射规律相同，因此，捕述 这种规律的函数形式办应该相同；各种物体和测量条件的区别则表现为函数中的参数取 值不同【2 1 。 在数学基础方面，新测温方法采用曲线拟合方法处理实验数据。两个变量x ，y 之间 的数量关系有两种不同的类型：一种是函数关系，一种是相关关系。当x 取一定的值时， y 有确定的值与之对应，这种关系被称为确定的函数关系。当x 取一定的数值时，y 的值 虽然不确定，但从统计的意义上讲，它们之间存在着某种规律性的联系，这种关系称为 不确定的相关关系，或者说两个变量之间确实存在某种关系，但不具备函数关系所要求 的确定性8 1 。 在实际测量中，由于实验误差的存在，一些本来存在函数关系的变量之间会呈现不 确定性，即表现为相关关系；相反，在一定条件下，如果各种随机因素均为已知，则相 关关系就可以成为某种确定的函数关系。应当指出的是，函数关系也是一种相关关系j 。 在红外测温中，对于信号强、干扰( 物体的材料性质、表面状态、辐射波长、实际温度 以及辐射条件、环境因素等【5 】) 弱的情况，物体的光谱辐射度m ( t ) 与丁的函数关系没 有被破坏，实验数据可以按照函数已知的情况来处理( 被测物体温度较高时大多属于这 种情况) ；对于信号弱、干扰强的情况，物体的光谱辐射度m ( 丁) 与丁的函数关系被破坏， 变成了相关关系，所以实验数据必须按照函数未知的情况来处理，( 被测物体温度较低 时大多属于这种情况) 。对于这种情况，可以根据理论推断或依据实验数据的变化趋势， 假设几种函数形式，即经验公式。依照实验数据确定方程的待定系数以及应用该种函数 模型得到的预测值与准确值的标准误差。如果标准误差很大，则说明假设函数形式不成 立，即虽求出方程，但变量问并不满足这种函数关系，应该重新考虑其他的函数关系形 式。通过比较标准误差，可以选择出最佳的函数形式。 根据以上的分析，结合火焰温度测量的特殊性可以得出，改进的比色测温法对于窄 带的双波长测温仪更加适用，因为其在曲线拟和阶段属于有理论公式的曲线拟和，比起 经验公式( 特别是多项式) 更加合理、更加精确。理论公式曲线能够在实测数据点间平 滑地通过，而不受数据点选择的影响。这也是用曲线拟合方法寻求理论公式中的待定系 数最佳估计值的前提条件。 2 6 本章小结 本章介绍了黑体、非黑体的辐射规律，对几种常用的测温方法进行了比较，分析了 几种传统方法测温的优点与不足之处及辐射率对测温仪的影响。针对火焰温度的测量， 提出了基于比色测温法的改进方法。对这种改进方法的数学及物理基础进行了探讨，说 明了其能够增强适应性和提高准确度的理论依据，为下一步火焰温度的测量系统设计奠 定了良好的理论基础。 第三章火焰温度测量系统设计 第三章火焰温度测量系统设计 火焰温度测量系统主要可分为硬件和软件两个部分，如图3 1 所示。硬件部分的设 计主要包括光学系统的设计，红外探测器的选取，信号的采集处理的电路部分设计。软 件部分的设计主要包括信号的处理以及界面的设计。 红外探测器l信号调理 + l 一统h 鬻卜 数据采集 土 l a b v i e w 图3 1 火焰温度测量系统框图 f i g 3 1d i a g r a mo ft h ef l a m et e m p e r a t u r em e a s u r i n gs y s t e m 在设计光学系统之前，我们首先对实验用燃烧物火焰的红外光谱进行了分析，为选 取合适的工作波长作提供依据。 3 1 火焰的红外光谱分析 3 1 1 光谱分析基本原理 质在一定的条件下发射或吸收的光辐射，均或多或少的包含有不同波长( 波数或 的光辐射成分。光辐射是特定波长范围的电磁辐射。利用一定的技术，如衍射、 ，将这些电磁辐射按波长有序地排列起来，就构成了物质的发射或吸收光谱。 一种物质发射或吸收光谱均有其固有的特征( 波长及强度分布的不同) ，即确定 有其确定的光谱，成为物质的特征光谱。由于所产生的原因不同，物质光谱可以 类：线光谱( 由众多波长不同的谱线，按波长有序地排列组成) 、带光谱( 由一 度不等的光带组成) 及连续光谱( 由较宽的波长范围内所有波长组成的光带，与 不同，连续光谱表现为一种连绵不断的光谱形式) 。 1 4 第三章火焰温度测量系统设计 3 1 2 火焰红外发射光谱测量 可燃物燃烧时，影响火焰的光谱分布的因素很多。例如，氧化剂的供给情况、燃烧 的生成物、火焰中的烟炱含量等等。火焰光潜足火焰在整个波段范围内的辐射强度的分 布。火焰的发射光谱横跨红外、可见光、和紫外等电磁辐射波段，在红外波段能量相对 较大，而这些电磁辐射就是可燃物燃烧时的燃烧产物的分子在高温下受激状态下释放的 【4 1 1 o 测试红外光谱的红外光谱仪有多种类型，从样品光谱信息的获得看，有简单的在一 个或几个波长下测定的专用型滤光仪器，也有在红外波长范围内测定全谱信息的研究型 仪器。从光谱测定的波长范围看，由于采用不同的检测器和分光器件，有的专用于短波 近红外区域，有的则适合用于长波近红外区域。从仪器的分光器件看，可分为四种主要 类型：滤光片、光栅分光、傅里叶变换和声光调制滤光器。从检测器对分析光的响应看， 有单通道和多通道两种类型，多通道型又有采用电荷耦合器件和二极管阵列器件做检测 器的红外光谱仪。从使用的光源看，既有发出宽谱带卤钨光源的仪器，也有采用多个产 生窄谱宽发光二极管组合光源构成的仪器。 本论文介绍的火焰温度测量系统在测量火焰红外发射光谱时，采用的j a s c o f t i r 4 0 0 0 是日本分光基于4 0 余年的红外光谱研究和制造经验推出的最新系列傅里叶 变换红外光谱仪，如图3 2 所示。它集现代高科技光学技术与数字技术于一体，具有可 靠的操作性和极高的灵敏度。结合最新电脑技术的发展，采用即插式u s b 数据接口进 行数据控制与传输。它可以用于7 8 0 0 , - - 3 5 0c m 。1 波束范围的光谱测量；信噪比为2 2 0 0 0 ：l ； 干涉仪采用密闭结构，d s p 控制自动调整；快速扫描，操作简单等特点。 鉴于火焰的特殊性，在红外发射光谱测量时，发射样品即火焰本身就变成了f t i r 的光源，其辐射被适当的光学系统准直后，进入干涉仪；探测器为d t g s 。 图3 2j a s c o 傅里叶变换光谱仪4 0 0 0 f i g 3 2j a s c o f t i r - 4 0 0 0 1 5 第三章火焰温度测最系统设计 在实验中，被测样品为蜡烛的火焰。现在蜡烛的主要原料是石蜡，石蜡是从石油的 含蜡馏分经冷榨或溶剂脱蜡而制得的，是几种高级烷烃的混合物，主要是正二十二烷 ( c 2 2 h 4 6 ) 和j 下二十八烷( c 2 8 h 5 8 ) ，含碳元素约8 5 ，含氢元素约1 4 。辅料包括白 油，聚乙烯，硬脂酸，香精等。蜡烛燃烧时，正二十二烷和硬脂酸燃烧的产物都是二氧 化碳和水。反应的化学方程式为2 c 2 2 i - 1 4 6 + 6 7 0 2 _ 4 4 c 0 2 + 4 6 h 2 0 和c 1 7 h 3 5 c o o h + 2 6 0 2 - - - , 1 8 c 0 2 + 1 8 h 2 0 。蜡烛燃烧时的火焰一般分为三层，即外焰、内焰和焰心。外焰 与空气充分接触，燃烧充分，温度最高；内焰燃烧不充分，温度比外焰低，因有部分碳 粒，火焰最明亮；焰心主要为蜡烛蒸气，温度最低。图3 3 为蜡烛燃烧火焰在 3 3 3 2 3 9 1 c m 1 7 8 0 0 6 5 c m 1 ( 1 2 8 2 9 m 3 0 0 0 9 m ) 范围内的光谱分布。由于此步骤是以选 取能量较集中的两个波段为目的，所以，其关注的重点为能量的相对分布，而不做定量 分析。 经过多次测量，蜡烛的红外光谱图如图3 3 所示。由于拟选择的谱线位于近红外波 段，即小于3 1 x m ，所以，主要对1 2 8 肛m - 3 j t m 段进行了分析。由图3 3 可清楚的看出， 蜡烛的火焰在1 5 4 9 m ，1 7 8 9 m 处具有特征谱线。 1 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 5 o o o 图3 3 蜡烛火焰近红外光谱 f i g 3 3n e a r - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p yo f c a n d l ef l a m e 3 2 光学系统的设计 火焰温度测量系统的前端首先就是光学系统，它的作用主要是改善光束的分布，更 有效的利用光能。通过光学系统的光束会聚在探测器的灵敏面上，恰当的光学系统可以 有效增大系统的探测能力，提高仪器的信噪比。 由于红外、可见光紫外本质上都是电磁波的一部分，因此，红外光学系统作为光学 1 6 一 一 一 a 2 2 第三章火焰温度测量系统设计 系统的一个分支，其在光能的接收、传递以及成像等光学概念上与其它光学系统没有本 质上的区别。也就是说，用于可见光范围的光学系统设计的基本理论和设计方法同样可 以应用于红外波段的光学系统设计【4 2 1 。但是红外光学系统受其工作波长以及探测器特殊 的影响，其又具有彳、= 同于一般光学系统的地方。 常用的光学系统元件一般包括透镜、反射镜以及棱镜等。红外光学系统根据结构的 不同可以分为三类：透射式光学系统、反射式光学系统以及组合式光学系统。红外光学 系统与可见光光学系统的不同主要体现在以下几个方面。 首先，辐射源的辐射波段位于1 p m 以上的不可见区域。普通的光学玻璃对2 5 p m 以上的光不透明【4 2 1 。在可透过红外波段的材料中，只有为数不多的几种材料具有必需的 机械性能，并能达到一定的尺寸。因此对红外光学系统所能采用的光学材料的品种有很 大的限制。 其次，由于经过红外光学系统的光束是由探测器接收，因此，光学系统与探测器匹 配的灵敏度、信噪比等成为了光学系统性能、质量的主要评判依据，而不是以光学系统 的分辨率为主。 另外，考虑探测器的接收面积较小，一般红外光学系统的视场不太大，轴外像差可 以少考虑。红外光学系统一般对象质要求不太高，但是要求较高的灵敏度，以获得所需 要的信噪比。因此，多采用大相对孔径。 因为常用的红外波长较可见光波长相比要长的多，所以在红外光学系统中，如果光 孔尺寸较小，衍射极限会导致系统分辨率较低。因此要提高分辨率就需要增大孔径，这 会导致红外光学系统的重量重、成本高。 鉴于红外光学系统的上述特点，在设计时，要遵循以下几个原则【4 j j ： ( 1 ) 具有较高的光学透过率或者反射率； ( 2 ) 在尺寸、象质和加工工艺许可的范围内，使接收口径尽量大，保证系统有较 高的灵敏度。 ( 3 ) 对噪声有较强的抑制能力，提高信噪比。 ( 4 ) 尽可能充分发挥探测器的效能，有效利用探测器接受面积。 ( 5 ) 简化系统，减少能量损失，降低成本。 根据以上的分析及具体探测器的要求，设计的光路系统在满足同时得到两个波长下 的光束的同时，应尽量达到以上要求。 光路设计中，主要考虑图3 4 所示的两个方案。图( a ) 使用的是半透膜进行分光， 而图( b ) 是使用棱镜分光。考虑到造价及实用性，本研究选择了图( b ) 所示的方案。 1 7 第三章火焰温度测量系统设计 l i 镜 门镜 探测器2 探测器1 探测器l 图3 4 光学系统设计方案 f i g 3 4o p t i c a ls y s t e md e s i g n 3 3 红外光学探测器的选择 二 探测器2 片 在测量系统中，经过光学系统的两束光，分别聚焦到两个红外探测器上。红外探测 器将辐射信号转换成电信号，输入至放大电路。在这里，红外探测器是非常关键的，它 是将光信号转换成电信号的重要媒介。一个完整的红外探测器包括红外敏感元件、入射 窗口、电极引出线、外壳以及按需要而加的冷屏、光阑、场镜、光锥、滤光片和浸没透 镜等，低温工作的探测器还配有杜瓦瓶，有的还包括前置放大器等。选择合适的红外探 测器关系到整台机器的性能，一般要考察几个方面：工作波段与被测目标温度相匹配； 本身阻抗与前置放大器相匹配；工作频率尽量高，以便适应对高速目标的观测；体积小 型化：较高探测率，以提高系统灵敏度m j 。 第二章火焰温度测餐系统设计 按探测器的工作机理区分，红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类【4 5 】【锎。 3 3 1 热探测器 热探测器在吸收红外辐射后，温度升高，伴随发生某些物理性能的变化。通过测量 这些物理性能的变化就可以间接测量出它所吸收的能量或功率。但是热探测器自身温度 升高的过程比较缓慢，因此响应时问较长，其探测率通常比光子探测器的低，但它的光 谱响应宽，同时不需要制冷，不需要偏压，可广泛使用在各种辐射计、光谱计和低成本 的热成像等方面。常用的热探测器有下列两种。 ( 1 ) 热敏电阻 热敏电阻的阻值随自身温度的变化而变化。它的温度与吸收辐射大小、工作时所加 电流产生的焦耳热、散热及环境温度等有关。热敏电阻基本上是用半导体材料制成的， 分为负电阻温度系数和正电阻温度系数两种。 ( 2 ) 测辐射热电偶 测辐射功率的热电偶称为测辐射热电偶，是用来接收光辐射的。其原理与一般的热 电偶相同，都是基于温差电效应工作的。为了提高吸收比，热端用涂黑的金箔作为受辐 射面，接收辐射后，温度升高，形成热端，产生温差电势来测量辐射。光辐射引起热端 温度升高丁极其微小。因而对测辐射热电偶材料的选择要求很高。 3 3 2 光子探测器 热探测器属于无选择型探测器，而光予探测器属于选择性探测器。光子探测器是利 用光子效应制成的探测器。吸收光子后，产生电子状态的改变，进而引起几种电学现象， 称为光子效应。一般具有一长波限，即单位入射功率仅对具有足够能量的光子有响应。 小于长波限工作时，光电信号随波长的增长而增大；大于长波限后，光信号迅速下降到 零。工作于可见光和近红外波段时，探测器可直接处于室温。常用的光子探测器分为以 下几种类型。 ( 1 ) 真空光电探测器 当光入射到某些金属、金属氧化物或者半导体表面时，如果光子能量足够大，能使 其表面发射电子，这种现象统称为光电子发射，属于外光电效应。真空光电探测器，是 外光电效应的光子探测器，分为光电管和光电倍增管。因为后者具有响应速度快和探测 率高的优点，使它成为近红外，可见光区和真空紫外区最常用的光电子探测器。但是， 这类器件也有着不足。在红外区范围，受光阴极材料限制，当波长超过1 岬，响应迅速 下降到难以使用的程度