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用于火焰探测器检验的标准光源的研究 学科：光学工程 研究生签字：壶盔 指导教师签字：经 摘要 火焰探测器在火灾防治中起着至关重要的作用，其性能的好坏对于能否及时发现火 情并有效的灭火起着决定性的作用。因此，对火焰探测器进行性能检测相当重要。目前， 对于火焰探测器的检验主要是利用燃烧火焰作为检验光源，人工操作完成，存在一致性 和可重复性差，使用不安全，检验效率低等问题。迫切需要研制一种操作简单方便，可 重复性好，省时省力且能够用于多种火焰探测器检验的人工光源标准光源。 本文从实际需要及用户要求出发，对这一标准光源进行了研究，着重对各谱段光谱 的辐照度进行了理论和实验研究，探讨了标准光源的设计方案。并对标准光源的结构、 及控制系统进行了部分设计。所设计的标准光源能够发出0 ，1 8 5 o 2 6 “m 、2 5 3 o “m 、 3 9 4 1 肛m 、4 - 2 4 5 p m 、4 8 5 0 肛m 五个谱段的光谱，且能够根据用户实际需要，通 过简单的按键操作实现光谱的单一输出或组合输出，并对光源的辐照度及调制频率进 行调节。 论文首先在对黑体辐射相关理论研究的基础上，利用m a t l a b 对黑体在有界域 x 1 地内的辐出度及距离黑体光阑一定距离处探测器表面的辐照度进行了计算，并编制 了相应的计算界面，实现了任意谱段内辐出度和辐照度的快速计算，为后续标准光源设 计中光源参数的确定及实验结果的分析奠定了基础。其次，考虑了燃烧火焰在特定谱段 内的辐照度值的问题，通过与标准黑体辐射源进行比对实验，确定了各谱段光谱的辐照 度数据，探讨了光源的选择、光谱组合方案等设计中的关键问题，确定了标准光源的总 体设计方案。在此基础上提出了光学系统的结构方案，进行了部分结构设计，并对标准 光源的控制系统进行了初步设计。最后，对所设计的标准光源进行了实验研究，并进行 了该标准光源的标定实验。 关键词：火焰探测器；标准光源；辐出度：辐照度：黑体辐射源 s t u d yo ns t a n d a r dl i g h ts o u r c eu s e dt o t e s tt h ef l a m ed e t e c t o r d i s c i p l i n e ：0 p t i c a le n g i n e e r i r 喀 s t u d e n ts i g n a n l r e s u p e r v i s o rs i g n a t u r e 鼢乃仙 淞分吩 a b s t r a c t f l a m ed e t e c t o r sh a v ea 1 1e x t r e m e l yi m p o r t a me 虢c to np r e v e m i o na n dc o n d l l 血go ff i r e d i s a s t e r i t sf i r es e n s i t i v i t yh a sad e c i s i 、他e f r e c to nf i r ed c t e c t i n ga i l de m i n g u i s l l i n g s oi ti s r a t h e ri l n p o r t a n tt o t e s ts e n s i t i v i 哆o ft l l e m a tp r e s e n t ，n a m i n gf i r e sa r em o s t l yu s e di n e v a l u a t i n gn 唧ed e t e c t o r sa 1 1 dm e t e s ti sd o n em a n u a l l y t h o s em e 1 0 d sh a v eb a d 山f o m 时 a n dr e p e a t a b i l i t y ，l o we m c i e n c ya 1 1 dg r e a ti n s e c u r i 哆t h e r e f o r eas t a n d a r dl i g h ts o u r c ew h i c h i se a s yt oo p e m t e ，a 1 1 dh a v eg o o dr e p e a t a b i l i t yi sn e e d e du r g e n t l y i tc a nm e e tt 1 1 en e e do f s e v e r a lk i n d so f n a m ed e t e c t o r sa n ds a v ea1 0 to f t i m ea n dw o r k f b r c e i nt h i sp 印e r ，、v ed i ds o m er e s e a r c ho nm i sl i g h ts o u r c eb a s e do np r a c t i c a ld e m a l l da n d t 1 1 er e q u i r e m e n t so fu s e lt h es c h e m eo ft h i ss t a n d a r dl i g h ts o u r c ea n di r r a d i a i l c ei n 印e c i a l s p e c t n 蛐d o m a i nw e r ec h i e n y d i s c u s s e d b a s e do nd i s c u s s e ds c h c m e ，m es t r u c t l l r ea 1 1 d c o n t r 0 1u 血tw e r ep r i m a r i l yd e s i g n e d t h er a d i a n tw a v eb a n d so ft h el i g h ts o u r c ew ed e s i g n e d w e r eo 1 8 5 0 2 6 m 、2 5 3 o 肛m 、3 9 4 1 肚m 、4 2 4 5 u m 、4 8 5 o 肚m w ec a nc h o o s e o n eo rm o r eo ft h e ma n dr e g u l a t ei t si r r a d i a n c ea 1 1 dm o d u l a t ew i 恤e a s yk e y p r e s so p e r a t i o n t h et h e o r yo fb l a c k b o d yr a d i a t i o nw a sd i s c u s s e df i r s t l y b a s e do nt h i s ，t h er a d i a i l t e x i t a l l c eo f b l a c k b o d yi nb o u n d e dd o m a i na n di r r a d i a 工l c ei nt 1 1 es u r f k eo fd e t e c t o rw h i c hh a s af i x e dd i s t a l l c et ot h e 叩e 咖r eo fb l a c k b o d yw e r ec a l c u l a t e dw i t hm a t l a b ，a 1 1 da c a l c u l a t i n gi n t e r f a c ew a sd e s i g n e d s e c o n d l y t h ew h o l es c h e m eo ft h i ss y s t e mw a sp u t t 、o r w a r da n ds o m ek e yt e c h n o l o g i e sw e r es t u d i e d 1 1 1 ei r m d i a n c eo fn a m i n gf l r ei ns p e c i a l s p e c t m md o m a i nw a sc s p e c i a l l yd i s c u s s e d a n dt h ei r r a d i a n c ew a sa c q u i r e dw i t hc o m p a r e dt o b l a c k b o d yr a d i a t i o nc h r o u g he x p e r i m e n t t h i r d l y ，w ed i s c u s s e dt h es t m c t u r es c h e m eo fi t s o p t i c a ls y s t e m ，p a n l yd e s i g n e dt h es t m c t u r e ，a n dp r i m a r i l yd e s i g n e dt h eh a r d w a r ea n d s o f c w a r eo fc o n t r o lu n i t f i n a l l y ，t h ep e r f b n l l a n c e so ft h i ss t a n d a r d1 i g h ts o u r c ew a ss t u d i e di n e x p c r i m e n ta j l dt h ec a l i b r a t i o ne x p e r i m e n tw a sd o n ei ne x i s t i l l ge x p e r i m e n tc o n d i t i 彻 k e yw o r d s ：n a m ed e t e c t o r ；s t a n d a r dl i g h ts o u r c e ；s p e c t m li r r a d i a n c e ；s p e c t r a lr a d i a m e x i t a n c e ；b l a c k b o d yr a d i a t i o ns o u r c e 1 绪论 1 1 课题研究的意义及相关背景 1 绪论 火灾是危害人类的重大灾害之一，它直接危及人类的生命和财产安全，造成环境污 染，甚至生态平衡。随着生产和生活的迅猛发展，新能源、新材料、新设备的广泛开发和 利用，这种危害日渐明显，因此消防安全显得越来越重要，人们对火灾防治研究也越 来越重视。为了及时发现火情，保护人们生命财产的安全，人们通过对物质燃烧过程 中所产生的各种物理、化学现象火焰、燃烧产物、燃烧音等现象的研究，研制了 感温、感烟、感光、可燃气体、复合等各类火灾探测器【引，各类火灾探测器被广泛 应用到国民经济、军事等各个领域。而探测器质量的好坏，对于能否有效的灭火起着 决定性的作用，探测器发生误报和漏报都将导致严重后果。因此，对火灾探测器进行 性能检测相当重要。 火焰探测器属于火灾探测器的一种，它主要通过探测物质燃烧过程中所产生的火 焰来实现火灾探测的目的。对于火焰探测器的检验，各国制定了相应的国家标准，这 些标准都规定，在标准的燃烧室内产生标准试验火来对探测器进行检验。如欧洲的 e n 5 4 标准的第l o 部分【9 j 规定利用正庚烷火和甲基化酒精火来对探测器的性能进行测 试，我国点型紫外火焰探测器性能要求与试验方法【1o 】及点型红外火焰探测器性 能要求与试验方法【l l 】两项国家标准规定在燃烧试验室内，利用木材明火、正庚烷火 和乙醇明火来检验探测器在实际燃烧情况下的响应性能。国家标准规定的这类方法对 检验中所使用的试验火燃料的数量、布置、材质及试验环境等都有严格的要求，操作 复杂，主要用于国家消防电子产品监督检验中心进行执行国家标准的产品的质量检测， 不适合在生产行业中对火焰探测器进行大批量的检验。现有生产行业中对火焰探测器 的检验是用汽油等燃料燃烧产生的火焰、烛光、火柴火焰等进行，这类方法的一致性 和可重复性差，使用不安仝，同时耗费大量的人力。这就给火焰探测器生产部门对于 火焰探测器的检验带来困难。因此火焰探测器生产厂家迫切需要研制一种操作简单方 便，可重复性好，省时省力且能够用于多种火焰探测器检验的人工光源，替代试验火 对探测器进行检验。 考虑到火焰探测器主要是对火源燃烧区发出的特定谱段的红外和紫外光谱响应。 因此可用人工光源经滤光获得这几个特定谱段的光谱，若各谱段光谱的辐照度值与火 焰探测器检验中所用试验火焰在该谱段内的辐照度接近，即可代替试验火对探测器进 行检验。基于此原理，本文从实际需要及用户技术要求出发，对这一用于火焰探测器 西安工业大学硕士学位论文 检验的人工光源进行了研究。该光源的研制可大大提高生产部门对火焰探测器检验的 效率，同时也可为火焰探测器的研发提供良好的实验平台。 1 2 研究发展现状 1 2 1 火焰探测器研究及发展现状 火焰探测器一般是使用工作在特定窄波段的紫外辐射传感器，红外辐射传感器或 结合使用这两种传感器记录位于这些特定波段的电磁辐射，将所记录到的辐射信号再 利用以下的某种或数种技术进行分析判断：( 1 ) 闪烁频率分析：( 2 ) 阈值能量信号的比较； ( 3 ) 数个信号之间的数学相关分析：( 4 ) 比较技术( 比率、与门、或门技术) ；( 5 ) 与贮存 的光谱分析结果进行比较，识别从火源燃烧区发出的特定紫外和红外谱段的电磁辐射， 从而达到探测火灾的目的【1 2 ，】。下图1 1 为一种碳氢类化合物扩散型火焰的典型辐射光 谱u “。其中带斜线的几个谱段为火焰探测器设计中常选用的谱段。 ； i 姆 球 嚣 謦 图1 1 典型碳氢化合物火焰辐射光谱 从上图1 1 可以看出，火源释放的能量横跨了紫外、可见光和红外等电磁辐射谱段。 这些电磁辐射主要是由燃烧产物的分子在高温受激发状态下释放出来的，其中处于火 焰反应区之外的h ，o 、c o ，、c o 、o ，、n ，等稳定燃烧产物的分子发出的电磁辐射主 要位于红外谱段。在红外波长范围内的4 ，3 1 1 附近能够观察到火焰光谱的峰值。这是被 称为c 0 2 共鸣的c 0 2 原子团的发光光谱，为火焰所特有，且比其它光谱具有绝对大的强度 据此可将火焰从太阳光及黑体辐射光谱中明确地分离出来。因此，以4 3 u m 为中心的这 一窄谱段，为火焰探测器设计中最常选用的红外谱段。 在紫外线谱段内能够观察到火焰的微弱光谱，这是n o 带状谱( o 2 3 6 3 “m ，0 - 2 7 4 1 u m ) 另外，还有火焰中的金属原子如金属盐的发光【l ”。由于大气层对短波紫外线的吸收，使 太阳照射到地球表面的紫外线只有波长大于o2 9 岬的长波紫外线，o 2 9 肛m 以下的短波 长辐射在地球表面极少能观测到，因此，在火焰探测器设计中将o 2 9 岫以下谱段作为 西安工业大学硕士学位论文 繁终线稳溅区域，王 乍程该梭溅区域内懿紫舞辐瓣传戆器辩羁竞辐菇不豌应，扶霹避 免了目光的于扰。 在过去的2 0 年中陆续出王兕了紫外、红夕 、紫外红外、红外红外等几类点裂火焰 探测器“，1 5 “1 。 a 单谱段紫外火焰探测嚣 紫外火焰探测器探检火焰的原理，是基于可燃物黢燃烧或爆炸剐点燃的瞬潮，会以 投嫒麓速凄毒m s ) 辐射趣羧强缝量起紫努线”习。紫辨火焰搽测器一般使用豢零一嚣 赣篱作为簧惑器，多采霜镲终为溺稷，典羹工终谱段簸予e 1 8 5 畔0 2 4 5 飚，爨鸯9 0 。 的视角，可以探测到l o m 1 5 m 远处，面积为o 1 m 2 的汽油火焰1 2 l 。该类火焰探测器的 反应速度最快、灵敏度较商、造价低，但易产生误报繁，浓烟和蒸汽对光路的遮挡可 使其失效。 b 单谱段红外探测器 红外火焰探测器是基于检测火焰的高温以及由火焰引起的大量的高温气体郝能辐 瓣毒各耱颧豢熬红夕 线豹簇避。盎于韪够疆射爨红努线数石仅仅是火焰，一些嘉滋物 零 的袭嚣，翔炉子、绥麓、凑索自绶嚣、太阳等帮麓臻羹雩懑与“火焰”氛韩线频豢襁渤合的 纽外线。因而这些荠非火焰的红外源就十分容易使红外火焰探测器产生误报警。为了 能从其它各种红外光源特殊频带的信号中真正区分出火焰的信号，目前都普遍采用多 参数分析和数学计算技术，用得比较多的是闪烁分析和红外光窄频阈值信号( 4 1 4 6 u m ) 分析i l ”。这类火焰探测器反应速度快，灵敏度中等，造价低。 c 紫外，红多| 、火焰探测嚣 紫夕 国：岁 双谱段火焰掇 鬟| | 器一觳采嚣一拿对太麓毙熬骞撬于莸笺力豹絮努臻感 嚣鞠一个窄谱段红外传惑秣锚成。虽然紫箨探头本鸯虢建搽溅火焰鲍一个好的搽头， 假它特别容易受电焊光、电弧、闪电、x 射线等( 紫外线辐射) 触发而产生误报警。因此， 为了防止误报警的发生，它增加了一个红外检测通道。在许多被探测范围不大的场合， 可以采用这一类型的探测嚣。只有当探测器接收到特殊频带的红外信号，同时又接收到 特殊频带的紫外线信号时才确认有火焰存在。 d 。红字| 、篷 外火焰探测熬 逶过分辑羟类气钵豹火焰竞谱可疆发臻，燃烧产镑中熬热豹e o ：气落在4 t 3 黼瓣选 蠢一个独特的蜂筐辐蔚谱段，双谱段红外探测嚣一般酃被设计为对这个蜂僮辐瓣产生 响应，另外再选用位于这个峰值谱段附近3 8 斗m 4 1 吣的背景辐射作为其参考探测匿 标。探测器的信号处理电路主要就以下j l 个方面对上述两个谱段接收到的辐射信号进 行分析处理，从而将火焰和敦它干扰源区别开来：( 1 ) 信号的闪烁性；( 2 ) 单一谱殿接收 到的信号强度( 阈值分析) ；( 3 ) 两个探测器所接收到的信号强度间的比值l ”】。 强安i ：业人学硕士学倪论文 1 2 ，2 火焰探溅器国雨终稔骚滋获 a 国外国家标准检验方法 火焰探测器是一种特殊的产品、其质量的优劣赢拨关系到人民生命财产安全，因 此，对火焰探测器进行性能检测相当重要。各国对此项工作高度重视，制定了相应的 检测标准、规定了检测的方滋潮步骤。欧洲国家主要浆髑的是e n 标准，美国采用的是 u l 标准( 美国铩验实验拣凇) 。这些耘准努援定，农拣准酌燃烧室痨产生标准火采对 火焰搽瓣器逶行检验 ”o ”。 欧洲e n 5 4 标准的第l o 部分中规定，利用正庚烷火和甲基化酒精火来对探测器的灵 敏度进行测试，该方法可用于紫外、红外、多波段火焰探测器的检验。试验中所用正 廉烷火是由5 0 0 i n l 的正庚烷( 分析纯) 加3 ( 体积百分数) 的甲苯，放置于用2 m m 厚 的钢板制成的底面积为3 3 3 3 c m 2 ，高为5 c m 的容器中点火产生。甲基化酒精火鼹由 1 5 0 0 烈的甲基他酒精( 其中酱通酒精含量不少于9 0 ) 放置于用2 m m 厚的钢扳制成的 筑邋积为3 3 x 3 3 e 珏f ，嘉为5 e 撇豹方形容器中点火产生。试验商要黧围1 1 2 辑示。 豳l ，2e n 5 4 标准试验毒鬻圈 l 一监控设备；2 一隔离物：3 一探测器的水平光轴：4 一试验火；5 一探测器 如图1 - 2 所示，将8 只探测器平行固定于1 5 0 0 士2 0 0 n l n l 的高处并与试验火源隔 离。试验火箭放置于距离探测器敏感面d 处，其中d 根据所需检验的灵敏度等级不同 避行选择。接通控制和指示设备、使其处于丁f 常监视状态至少保持1 5 分钟。点燃试验 火踅= 至少操持1 分镑，特辍瓣稳定蜃去掉隔离物，暴瓣探溺器开始记录响应时阚。若 西安上业人学硕士学位论文 8 只探测器在3 0 s 内全部能响应，则认为探测器能够对试验火响应，否则，试验无效。 最终根据不同距离处探测器在3 0 s 内的响应情况评定探测器的灵敏度等级。对于两种 试验火，若8 只探测器在d 一l 九懒一：脚一t ) l 下图2 4 为黑体光谱辐巍度和波长、温度的函数关系曲线刚。 f 呈 毛： 蠢 毫。 0 雠 菩 擅长m m 图2 4 黑体光谱辐亮痊和波长、滠艘静涵数关系 分辑上嚣熬关系楚线霹麴：蹙予菜一 墓疫豹黑镄，它豹竞谱疆遗疫交骞矮丈毽 毛，且当黑体温度舞离辩，对应的毛自短波方向移动。同时由靳蒂芬一玻兹受定律 可知：黑体在某一平衡温废时的总辐出度，可以由m ( 屯r ) 在五= o 。o 蝉l 内的积分得 列。 m ( ，) = 房 e x p ( 嘉) _ r 钡= 刃4 ( 2 4 ) 式中，疗为簸蔫芬一玻兹曼零数( 5 。6 7 1 0 1 2 飘磁矗爱4 ) 。 该式表秘，黑钵在蘩滋发豹总辐窭度帮它静滠发豹疆次方残笼镶。 2 。2 黑体在有界域x l 九2 内辐出度的计算 通过分析本课题的技术爱求可以知道，设计中臻考虑的是某谱段范围内的辐射度 燃烧否满足要求，而应用上述( 2 2 ) 式和( 2 4 ) 式都不能直接对m ( 丑，丁) 在a 谱段 内鞠辐密度进行计算，必须对警耀竞黑体辐射公式在一定谱段焉五：内进章亍积分，解黑 体疆蘩公式静菝分方程，掰骐，r ) 在谱段矗五= 五 五：内瓣毙谱积分隽 0卅j砖；叶t 西安1 业人学硕士学位论文 m ( a ，) = i ，( a ，丁m( 2 5 ) z 因为m ( a ，丁) 是超越函数，要人工计算( 2 5 ) 式是很困难的。传统的方法是查找专 门的表格【2 7 1 求解。由表格查出对应黑体温度为，时的m 。、 “。值，由( 2 6 ) 式求出 m n 的值。 m ，也2 m ：一m o ( 2 6 ) 如用传统的查表法计算炉温为1 0 0 0 k 时，黑体在1 5 岬内的辐出度值可得： m l 5 = m o 5 一m = 3 5 9 3 4 1 8 1 8 7 1 0 一3 = 3 5 9 1 6 ( 矿c 聊2 ) 这种方法使用起来比较麻烦，因此这里我们考虑借助m a t l a b 强大的计算功能 解决上面问题，即利用m a t l a b 计算( 2 5 ) 式的数值积分。 目前常用的数值积分方法有梯形法、辛普森法口8 ，矧。 2 2 1 梯形法 梯形法的原理是把积分区间( a b ) 分成n 个小梯形，然后对n 个小梯形的面积求 和。m a t l a b 中n 印z ( ) 函数可实现这种方法。利用梯形法计算( 2 3 ) 式在l 5 肛m 气 内的积分l m ( 旯，) 以程序如下： z 梯形法求黑体辐出度程序 x = 1 ：0 0 0 2 ：5 ；积分区间及积分步长选择 t - 1 0 0 0 ；黑体温度( k ) y l = 3 7 4 1 3 8 2 4 x ( 一5 ) ； y 2 2 e x p ( 1 4 3 8 7 8 6 ( x + t ) ) 一1 ； m 2 y 1 y 2 ( w c i n “( 一2 ) m “( 一1 ) ) m = 咖p z ( x ，m ) 谱段1 5 岬范围内的黑体辐出度值，单位：矿c m 2 计算中发现当选择不同的积分步长时我们可以得到不同的计算结果，如下表2 1 所示。 表2 1 不同步长下辐出度计算结果 s t 印s i z e ( 岬) o 20 0 20 0 0 2o 0 0 0 2 m ( 渺c m 2 ) 3 5 8 9 63 5 9 1 13 5 9 1 23 ，5 9 1 2 西安工业大学硕士学位论文 2 2 2 辛普森法 辛普森法是在积分区间( a ，b ) 内采用一段抛物线去近似被积函数，m a l r l a b 中提供q u a d ( ) 和q u a d 8 ( ) 函数实现这种积分。 辛普森法求黑体辐出度计算程序 f u n c t i o nm = c u r v e a r e a ( x ，t ) ； t = 1 0 0 0 ；黑体温度( k ) y 1 = 3 7 4 1 3 8 2 + x “( - 5 ) ； y 2 2 e x p ( 1 4 3 8 7 8 6 ( x + t ) ) 一l ； m = y 1 y 2 ；( w c m “( 一2 ) p m “( - 1 ) ) 运行上述程序后在命令窗口中输入m = q l l a d ( c u r v e a r e a ，1 ，5 ) 即可得到积分结果： m = 3 5 9 1 2 2 2 3 对计算方法的讨论 通过比较梯形法和辛普森法可知：梯形法求积分的结果有很大的不确定性，它随 步长而变化。而且难以判断可靠性。一般情况下，步长较小，则结果相对准确些。但 通过选择合适的步长，我们仍可得到较好的结果。和梯形法相比，辛普森法更简便和 快捷些，而且由于m a r l a b 自动选择合适的步长，所以准确度要比梯形法高些。 从上面的计算结果可以看出，用梯形法和辛普森法计算同一条件下黑体的辐出度 结果接近，但我们尚不能确定这两种方法是否准确。因此我们利用查表法、梯形法、 辛普森法求得黑体在一定区域内辐出度值，并对结果进行了比对( 见表2 2 ) ，以验证 方法的准确性。 表2 2 不同方法计算结果 m 。z 2m i 喝m ：如 e r r o r 九1 九2 ( u m ) m 1 一m m 。一m ( 缈c 2 )( 矿c 聊2 )( c 2 ) mm 1 2o 3 7 6 6o 3 7 6 50 _ 3 7 6 5o 0 3 o 0 3 2 3 1 1 7 0 91 1 7 0 81 1 7 0 80 0 1 o 0 1 3 41 1 7 7 31 1 7 7 21 1 7 7 2o 0 l o 0 1 4 5o 8 6 6 8 o 8 6 6 7o 8 6 6 7o 0 l o 0 l 说明：肘7 ，如为查表法计算结果；朋i ，z ：为梯形法计算结果，积分步长为oo l n ： 彳i ：为辛普森法 计算结果，黑体温度为1 0 0 0 k 。 比较各测量结果可知：上面的梯形法和辛普森法计算方法可行，计算无误，结果 与传统的查表法相比误差只有万分之几，因此我们可以用这两种方法代替传统的查表 法，埘黑体在有界域内的辐出度进行计算。 西安工业大学硕士学位论文 2 3 探测器表面辐照度计算 如下图2 5 所示，若黑体辐射源的有效发射率为占，黑体光阑面积为4 ，半径为马， 直径为d ，探测器的面积为爿：，半径为r ：，探测器与黑体光阑的距离为，则根据黑体 的辐出度计算公式及平方反比定律，探测器表面的辐照度 肚删志一番石( r 1 + ，2 )月1 + ，2 黑体 光阑 探测器 一0 ( 2 7 ) 图2 5 黑体辐射示意图 若在光阑后加入一窄带滤光片，其透过波长范围为 如，透过率为岛，则此时 探测器表面的辐照度为 e = 髓删她r ) 筹 ( 2 t 8 ) 将( 2 2 ) 式及( 2 5 ) 式代入上( 2 8 ) 式可得： e 碱磅【e x p 岛m 1 烈丁 ( 2 9 ) 分析( 2 。9 ) 式可知，在原有的梯形法和辛普森法辐出度计算程序上稍作改动即可 实现探测器表面辐照度的计算。此外由( 2 9 ) 式可知，在特定光谱范围丑厶内， 影响探测器表面辐照度的主要因素有探测器距离，、黑体炉温7 1 、光阑半径置。 暑蓑勰皋黯 光婀皇径：帕 “ 光谮 匐薯2 5 u 1 图26 探测距离辐照度关系曲线 医安_ _ l = 业大学硕士学位论文 从图2 6 可以看出，当黑体温度及光阑大小一定时，探测器表面的辐照度随探测 距离f 的增大而衰减迅速，对探测器表面的辐照度值影响最大。 图2 7 不同炉温下辐照度与探测距离关系曲线图2 8 不同黑体光阑下辐照度与探测距离曲线 从图2 7 、2 - 8 可以看出，当探测距离一定时，探测器表面的辐照度值随黑体炉温 丁的升高、黑体光阑的增大而增大。由此我们可以总结出：要增大探测器表面的辐照 度值可通过升高黑体温度、增大光阑的大小，减小探测距离几种方法实现。 2 4 辐照度计算界面设计 由( 2 9 ) 式可以看出，岛、五、 ：、丁和，r 等参数不同，对应的辐照度的 计算结果也不同，若使用原有的程序计算，必须不断的改变程序中的各个参数的值并 重新运行才能得到对应的结果，计算起来还是相当麻烦的。因此，本课题利用m a t l a b 自身的图形用户界面设计功能，编制简单的辐照度计算界面，简化计算过程。 2 4 1m a t l a b 图形用户界面设计简介卅3 2 j 所谓图形用户界面，简称g u i ( g r a p h i c a l u s e f i n t e 面c e s ) ，是由窗口、光标、按 键、菜单、文字说明等对象构成的一个用户界面。用户通过一定的方法选择、激活这 些图形对象，使计算机产生某些动作或变化，如实现计算、绘图等。为了能够让用户 更加方便地设计图形用户界面，在m a t l a b 中提供了图形用户界面的设计向导，利 用该向导，用户可以非常方便、直观、快捷的设计图形用户界面。在m a r a i ，b 的命 令窗口中键入“g u i d e ”命令或在m a r l a b 主窗口的菜单条中选择 “f i l e ”一“n e w ，一“g u i ”打开向导控制面板，如图2 9 所示。 面板上提供了一些设计工具，如菜单编辑器、对齐工具、对象属性，对象浏览器、 界面激活等：中部为设计工作区；左侧为一些常用控件，如：p u s h b u t t o n ( 按钮) 、t o g g l e b u t t o n ( 开关按钮) 、r a d i ob u t t o n ( 单选按钮) 、c h e c k b o x ( 复选框) 、e d i tt e x t ( 可 编辑文本) 、s t a t i ct e x t ( 静态文本) 、s l i d e r ( 滑动条) 、f r a m e ( 图文框) 、l i s t b o x ( 列 西安工业大学硕士学位论文 表框) 、p o p u pm e n u ( 弹出式菜单) 、a x e s ( 图像显示) 。应用控件时，可通过双击设 计区的控件打开p r o p e n yi n s p e c t o r ( 属性编辑器) 修改属性，如背景色、字体及大小、 位置、标志、类型是否可见等，控件不同属性也不同。 图2 9 图形用户界面设计向导控制面板 另外，借助设计向导控制面板提供的对齐工具a l i g no b j e c t s ”，可以很容易的对 所选对象进行排列。“a l i g i l o b j e c t s ”提供水平和垂直对齐按钮，分别有三种类型：a l i g n 、 d i s 砷衄e 、s c ts p a c i n g ，选中所要排列的对象，利用不同类型的按钮，可实现对所选 对象群的精确对齐排列。 对于一个m a t l a b 中的图形用户界面而言，一般设计步骤如下： 分析界面所要求实现的功能，明确设计任务： 在稿纸尚绘出界面草图，并站在使用者的角度来审查草图； 按构思的草图，上机制作( 静态) 界丽，并检查之； 编写界面动态功能的程序，对功能进行逐项检查： 界面设计遵循简单性、一致性及习常性的原则，所设计的界面力求简洁、直接、 清晰地体现出界面的功能和特征。 2 4 2 辐照度计算界面设计 设计中考虑到辐照度计算图形界面的设计仅为方便后续光源的选择及参数的确 定而设计，主要实现不同参数下辐照度的计算功能，涉及的参数较少，功能较简单， 因此选用单一的窗口即可。 从式( 2 9 ) 可以看出，影响辐照度e 的参数有：滤光片的透过率，波长范围 l 、黑体炉温丁、黑体光阑直径d 1 及探测距离，因此将这些作为输入数据，所设计 的界面在编辑框中各输入参数的数值后，通过点击计算按钮即可实现e 的计算及在界 6 西安工业大学硕士学位论文 面对应位置显示e 的功能，并设置清除及关闭按钮，可根据需要清除各参数数据、关 闭计算界面。由于辐照度计算的核心普朗克黑体辐射公式在有界域 五内的积分的 计算，通过前面的讨论可知可用梯形法和辛普法实现，这里选用梯形法实现，选择积 分步长为0 0 1 岫。为方便验证界面中计算的正确性，设计中附加了辐照度显示功能。 此外，通过前面2 3 节的分析可知，探测距离，是影响辐照度的最重要的因素，因此 考虑在界面上加了e 一，曲线绘制功能，以方便直观的分析不同探测距离下的辐照度 值，并设置曲线绘制及清除按钮。根据界面所需实现上述基本功能，最终制作出的静 态界面如2 1 0 所示。在该静态界面设计中，附加了辐出度及辐照度计算单位的选择功 能，计算中可根据需要选择单位为珊2 ，c m 2 ，州硎2 三者之一。 图2 1 0 静态计算界面 完成了静态界面设计之后，要实现图形界面的功能还必须编写回调程序，在各构 件之间建立通讯。设计中主要需编写“c a l c u l 鼬e ”、“p l o t ，c l e 盯，、“c l o s e ”，按键的回调 程序。其中“c a l c u l a t e ”按键回调程序主要完成获取输入参数的数值、计算辐出度及辐 照度的值，并通过单位换算，在界面对应位置进行显示；“p l o t ”按键回调程序主要需 获取l 参数，在绘图区域显示图像。 图2 1 1 为最终所设计的计算界面进行计算的实例。 幽21 1 辐照度计算图形用户界面 西安工业大学硕士学位论文 焱计嚣界蘑豹左边输入五、南、岛、黑体光阑直径d l ，探测距离z 等参数鹃 蕊，劳逸箨跨算结栗豹单位，点壹e 酿矮醛e 孩镪鼙麓醛在摇定盈萋显示弱应豹掰霹e 懿毒卡黪络鬃。计算中可以睫霹穆袭各输入参数及蘩像，重瑟计算。目嚣在器瑟惠下方 为辐照发e 与探测距离，的关系益线绘制区域，邋过选取合适的f 范围，点击p l o t 按镪 即可在绘图窗臼显示对应参数下的五一z 曲线。 通过实际使用表明，该计算界面实用，计算快捷，可在几秒钟之内精确计算从级 外到微波波长域的任意波长间隔的辐出度m 和编照度值e 。 2 5 本濑小结 本濑主要介绍了辐射度学基本概念及黑体辐射襁关理论，探讨了黑体在有界域 x 1 越内的稻爨度戆计算方法，利用梯形法葶h 辛酱森法辩黑体在奏赛域池内鹃 辐出发遽行了诗算，莠将诗粪结果与套表法谤髯续浆遴嚣了鼹邃，验证了嚣秘方法黢 正确後。攘警了距离黑俸一定薤离处搽铡爨表瑟瓣璇熬度计算公式，著分辑7 探溅鼷 离、黑体炉添、光阑半径对探测器表面辐照度的影确。利用m a t l a b 编稍了辐照度 计算阐形用户界面，实现了不同参数下辐照度的快遴计算。 3 标准光源设计方案 3 标准光源设计方案 本谍蹶所要设计的标准光源要求能够在嘲辐射出射口获得o 1 8 5 o 2 6 旺m 、 2 5 3 ，o 岬、3 9 4 1 u m 、4 2 4 ，5 岬l 、4 8 s o 岬五个谱段单一输出或组合输出的 均匀光谱，且辐照度可调，光源的调制频率可在o 1 0 0 h z 之间选择。通过分析设计 要求可知，该光源设计核心要考虑以下三方礞的问题：( 1 ) 各谱段光谱的辐照度所需 达到的擞慎，这是确定光源设计参数的重要依据( 2 ) 如何获得设计中所需的五个谱 段的光谗，主要涉及光源的选择问题( 3 ) 如何在同一辐射出射口获得五个谱段的光 谱，并实现各光谱的单一或组合输出。此外，遥辫考虑辐照度调节及调制频率的控铡 阕题。本肇麸这咒令方覆怼菰难光源熬设计方繁遂 亍搽讨。 3 1 试验火焰特征谱段光谱辐照度酶实验磷笺 本澡题中，所设计的光源在给定的几个谱段的辐照度值的大小主要由对火焰探测 器检骏时探测器表面所接收到的辐射量的多少求确定的。应根据探测器检验中所用试 验火火焰光谱在各特征谱段内的辐照度大小来确定。为此需知道试验火焰在这几个谱 段内的辐射度数据。但目前我们尚未有这方厩的数据资料。而对于火焰辐射光谱的测 量需用照体炉标定过的光谱仪、光谱辐射计等光谱辐射测量装置1 3 卜”】，目前实验条件 不具蓊。猩现有实验条件下，为了获得火焰探测器检验时探测器表面所要求的辐射爨 豹数据，本谍题巅蠲标准黑体辐射源和9 3 # 汽 獯产生麴火焰在相同的测量条件下迸彳亍 逡砖熬方法，簿汽、洼文燕麴辐爨疫遂行翅步铰诗。英藤瑾絮下： 麴强3 。l 掰示，设标准黑俸辖袈深在鞭裹搽溯器毛l 产生瓣电压篷v l ，对瘦搽溅 器表鬻的籀照度值为五；距汽油火焰l 2 魑搽溺器上产生的信号电压值为v 2 ，对艨 探测衷褥的辐照度值为丘 璺量：i菡l l ， 图31 黑体辐瓣添与汽滴火焰眈u 对实验旋瑾圈 b 疆安工业大学硕士学位论文 簧l 有如下关系 e 2 _ 鲁层 ( 3 1 ) 若汽油火焰在l 2 处探测器上产生的信号电压值为v 2 与标准黑体辐射源在距离 搽测器l 1 产生的电压值v 1 相等，则说明该火焰在l 2 处产生的能量与标准黑体辐射 源疲l l 产生的链量是楣当的，郄两静辐射源对于探灏4 器来说是等效豹。 穰豢上嚣淫量乐理，联建凌畜实验条 孛，我爨分溺搭建了黑薄穰汽演火熄懿实 验装置，并记录不同探测鼷蕊下探测器的输密数攥。 ( 1 ) 黑体测试实验 实验设备：h p 3 4 4 0 l a 型数表，p 3 2 0 7 一0 5 型p b s e 光电导探测器( 峰值波长为 4 3 “m ，半带宽为4 0 0 1 1 1 1 1 ) ，1 2 v 直流稳压电源、黑体辐射源、光阑( 孔 径为由4 0 m m ) 、挡板 实验装置示意图： 黼3 2 黑体豢l 试实验装置承爨翻 测试条律：黑诲溢发为9 0 0 ，并处予稳定工作状态。 测试前首先对系统光轴进行调整，测试时移动探测器，调整探测器与黑体光栏 之间的距离l 1 ，控制黑体辐射出口前挡板的开、闭，记录探测器在有光照和凭光照 下的输出电压。l 1 变化范围为l o c m 4 0 c m ，每隔5 c m 测试一组数据，并求平均值。 测试结果如下： 表3 1 黑俸测试实验数据袭 l l ( c m ) 1 01 52 02 53 03 54 0 探测器 k 。 1 4 7 s 21 4 4 5 l1 4 0 7 71 3 8 5 91 3 7 7 91 3 5 8 81 3 4 1 3 _ _ _ 输出 k ， 1 7 6 2 51 5 5 5 71 4 7 3 71 4 2 7 81 4 0 3 21 37 7 91 3 5 8 6 ( m v ) 矿2 8 7 01 1 1 0o 6 6 00 4 2 00 2 5 00 1 9 00 1 7 0 说明：瓦为遮挡时探测器输i | 电压平均值；瓦为不遮挡时探测器输出电压平均值：k = 瓦一琢 题安工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 汽涵文焰溅试实耱 实验设备：h p 3 4 4 0 l a 型数表，p 3 2 0 7 一0 5 型p b s e 光电导探测器( 峰值波长为 4 3 岬，半带宽为4 0 0 n m ，) ，1 2 v 叔流稳压电源、火盆及9 3 撑汽油， 光阑( 纸质黑屏，中心开孔巾4 0 m m ) ，挡板 实验装置示意图： 捌3 3 汽油火焰钡4 试实验装鼹承懑圈 测试条 孛：本次实验中，在火囊孛先翻入约l 穆褰稼熬瘩，爨嚣翻入约l 3 豹9 3 群汽涟，将就状态下产熏煞火焰作为我们测试斡对象。攘溅器中心线距离油露蕊浚约 7 c m 和l o c m 对，调整探测嚣与光阑之间的距离l 2 ，测爨探测器在有无光照下的输出 电压数据。l 2 变化范围为l o c m 4 0 c m ，每隔l o c m 测量一组数据，并求平均德。测 试结果如下表3 2 所示： 表3 ，2 汽油火焰测试实骏数据袭 l ( c m ) l o2 03 04 05 8 撩测箍输 1 4 + 7 7 51 4 5 31 4 4 2 21 4 t 3 4 71 4 ，5 6 4 出 ， 1 5 6 l o1 4 7 l o1 4 6 4 71 4 4 4 41 4 6 5 4 ( m v ) 0 8 3 0o 2 0 00 2 3 00 0 9 70 0 9 0 ( 3 ) 实验数据分析 表3 t 3 为不同距离下慧体辐照度的理论谤算值与爨俸实验疑量结果归一纯) 的魄 辩数攥，耱应晓较莛线懿强3 4 耩示： 表3 3 实验对比数摆袭 l ( c m ) 1 01 52 02 53 03 54 0 e 1 理论值( m w c m 2 ) 4 4 62 0 31 1 57 45 ，1382 9 e ，e m a x黑体理论值 啦i 化) 104 6o 2 6o 1 70 1 l0 0 90 0 7 黑体实验信( 麴化) lo t 3 9o 2 3o 1 5o ，0 9o 0 7o ，0 6 西安工业大学硕士学位论文 d i s t i n c e t o t h ea p e n f d l 。p h ”9 m # r n ) 图3 4 黑体理论计算与实际测量值比较曲线 从图3 4 及表3 3 中我们可以看出，在探测距离2 0 c m 以后，黑体实验测量结果 与黑体的理论计算结果非常接近，即探测器输出能够真实反应探测器表面辐照度得变 化。可见采用该探测器进行比对测量的方法是可行的。 此外，通过对比表3 1 和表3 2 中的实验结果我们可以得到如下结论：距离黑体 3 0 锄处探测器表面的辐照度值与距离测试火焰3 0 c m 处探测器表面的辐照度值相当， 此时黑体的参数为：炉温9 0 0 ，黑体光栏直径4 0 m m 。 通过本文第二章的介绍我们知道，对于一个温度稳定的黑体系统来说具有确定的 光谱辐出度，其在距离黑体一定距离处的辐照度是可计算出的。因此，我们即可得出 对应的辐照度数据，作为我们设计的依据。 假设黑体为理想黑体，无任何光能损失，则利用辐照度计算界面，我们即可快速 的计算出距离炉温为9 0 0 、黑体光阑