激光辅助辐射温度测量技术的研究

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表面温度测量是工业生产、质量控制和材料研究中常用温度监控于段之一。由于热电偶等接触测温法对被测表面温度场有一定干扰,不适合高温物体表面温度的测量。而辐射测温法具有非接触特性,通常可在较大温度范围内测量物体的表面温度。根据普朗克定律,辐射信号强度取决于被测物体的表面温度、热辐射率和检测波长。常用辐射测温技术要求材料的热辐射率已知才可能准确测量物体表面的真实温度,而材料的辐射率不仅取决于物体的组份和表面形貌等,还与其温度及检测波长有关,在很多情况下未知,是辐射测温技术精确测温面临的主要困难。  本课题基于普朗克定律研究了一种新型的激光辅助辐射温度测量技术,能够在材料辐射率未知的情况下,测定高温样品的表面温度。利用强度调制的激光束在样品表面产生交变的温度变化。由辐射理论可知,样品表面会相应地发出交流的辐射信号,因此,样品表面发出的辐射信号含有直流和交流两个分量。使用两个红外探测器分别测量两个不同波长下样品表面的辐射信号,通过测量和比较在两个不同波长下辐射信号的直流和交流分量,并结合普朗克定律,可以消除样品辐射率的影响。信号比较的方法同时也减小了材料表面状态和测量系统中的其他因素带来的测量误差。  本课题针对新型的激光辅助辐射温度测量技术建立了理论模型,分析了表面温度测定原理,并建立了实验装置进行样品温度测量,装置包括加热系统、光学系统和信号检测系统三个部分。实验中,采用了高度氧化的Inconel600样品,激光束光斑直径8.5 mm、频率19 Hz,表面温度测量范围为1065-1256 K,对每个温度点下进行了5次重复实验以提高测温精度。将测得的样品表面的温度与热电偶在样品内部测温推导得到的表面温度比较,得到:随着表面温度从1065 K升高至1256 K,其相对误差从4.99%下降到0.68%,且表面温度为1160K以上时,相对误差小于3%。  随着表面温度从1065 K升高至1256 K,测量结果的相对不确定度(k=2)从6.96%下降到2.46%,说明测量温度越高,测量结果的分散程度越小。对实验结果进行误差分析,认为测量误差的主要米源包括样品表面氧化层和界面的热阻变化、探测器和滤波片的性能、交流辐射信号的信噪比较低等。通过实验和误差分析,验证了该温度测量系统的可靠性和稳定性。
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