基于近红外光谱的高精度测温系统
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６］ 。施德恒等对仪 器 工 作 波 长 与 波 长 降低了系统的测温误差 ［
带宽进行了优化设计 ，从而获 得 两 个 最 优 的 光 谱 信 息 ，使 其 测温精度和灵敏度满足实际需要
［ ７］
。以上 方 法 都 取 得 了 一 定
的成果 ，但是在一些环境极其 恶 劣 的 工 作 条 件 下 ，比 如 在 高 温锻造过程中 ，大型 锻 件 表 面 状 态 （ 如 氧 化 、剥 离 、生 锈 等 ） 不断变化 ，高温锻件周围环境 温 度 升 高 ，厂 房 温 度 高 等 都 直
∞
珟Ｄ ＝ Ｅ
珟 ∑Ｅ
Ｐ＝１
Ｐ
ｄ ＝Ａ
２
＝Ａ １－Ｒ ｅ ） １－ｒｅ ） （ （
２ ｉ
１
Ｄ
ｉ
（ ） ２
２ ２ 珟Ｄ 为总透射光 ， ， ， 则 Ｅ Ｒ ＝ｒ Ｄ ＝ｄ Ｒ ＋Ｄ ＝ １。 其中 ，
透射光强度为 （ １－Ｒ） Ｉ ＝（ ２ ２ （ ／ ）０ １－Ｒ） Ｒ ｓ ｉ ｎ ２ ＋４ ／ ｎ ｈ ｃ ｏ ｓ ６ ０ ° 其中 ， π λ。 φ ＝４
高反射膜 石英折 反射率／％ 射率 三级干涉 滤光器 Ａ 三级干涉 滤光器 Ｂ ９ ５ １ ． ５ ５ ３ 单级干涉 滤光片 １ ２ ３ ４ ９ ５ １ ． ５ ５ ３ ５ ６ 间隙距 离／ ｍ μ １ ２ １ ． ７ ８ ２ ０ ３ ． ８ ８ ２ ． １ ２ ５ ７ １ ． １ ５ １ ５ ７ ． ６ ０ ２ ２ ７ ． ８ ０ ２ ． ２ ２ ５ ９ ８ ． ８ ６ 中心波 长／ ｍ μ
珟Ｄ Ｉ＝ Ｅ
２
２
（ ） ３
则单级干涉滤光片的透过率为 ｎ ｈ ｃ ｏ ｓ ６ ０ ° ４ Ｒ π ２ ２ （ ） ｓ ｉ ｎ Ｄ ＝１ ４ １＋ （ ２ λ １－Ｒ） 如果要求干涉滤光片透过中心波长为λ ０ ，即要使 波 长 为
（
（
） ）
２ ２ ／ ／ ｉ ｎ ２ 最 小 ，即 ： ｓ ｉ ｎ ２＝０，则 得 到 λ ０ 透射率最大 ，须 让 ｓ φ φ ／ ｍ ｈ ｎ ｃ ｏ ｓ ６ ０ ° π。将 φ 值代入φ＝４ π λ得 φ＝２
１ 红外双色测温系统
该红外测温系统结构如图 １ 所示 ，高 温 锻 件 辐 射 发 出 的 红外光谱由聚光镜 收 集 ，再 经 过 散 光 镜 将 光 束 变 成 平 行 光 ， 经宽带滤光片可透过包括预测波长的宽 带 光 ，宽 带 光 到 达 分 光片一部分透过分光片进入三级干涉滤 光 器 Ａ，得 到 中 心 波 长为λ １ 的窄带 光 ，再 经 过 牛 顿 双 反 射 镜 和 场 镜 将 透 射 光 收 集到红外探测器 １。另一部 分 宽 带 光 由 分 光 片 反 射 经 三 级 干 涉滤光器 Ｂ 得到中 心 波 长 为 λ ２ 的 窄 带 光 ，最 后 收 集 到 红 外 探测器 ２。然后将两个红外 探 测 器 探 测 到 的 不 同 波 长 的 单 色 光信号转变成电信号 ，由数据 采 集 卡 采 集 输 入 到 计 算 机 ，最 终计算并显示被测物体温度 。
，修订日期 ： ２ ０ １ １ ０ ３ ３ ０ ２ ０ １ １ ０ ７ １ ０ 收稿日期 ： － － － － ） 资助 ２ ０ １ １ Ｚ Ｘ ０ ４ ０ ０ ２ １ ０ １ 基金项目 ：国家科技重大专项 （ － ： １ ９ ６ ９ 年生 ，燕山大学电气工程学院副教授 ｅ ａ ｉ ｌ ｏ ｌ ｄ ｚ ｈ ａ ｎ ｓ ｕ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ 作者简介 ：张玉存 ， －ｍ ＠ｙ ｇ ： ａ ｉ ｌ ｉ ａ ｎ ｄ ｅ ｈ ａ ｏ ２ ６． ｃ ｏ ｍ ＊ 通讯联系人 ｅ －ｍ ＠１ ｑ ｙ
３ ２ ３ ７
滤光系统得到两个单色光谱 ，由红外探测 器 接 受 转 换 成 电 信 号得到两单色光谱的辐射功率比 ，将其代 入 测 温 公 式 即 可 求 出物体温度 。单级干涉滤光片 滤 波 原 理 如 图 ２ 所 示 ，当 一 束 非单色光以 ６ 角入 射 ，各 光 束 在 标 准 平 面 之 间 来 回 反 射 形 ０ ° 成一系列彼此光程 差 为 ２ 沿同一方向出射的透射光 ｎ ｈ ｃ ｏ ｓ ６ ０ ° 束 。假设介质无吸收 ，不 考 虑 两 外 侧 界 面 的 反 射 时 ，设 入 射 光振幅为 Ａ，入射光束在上界 面 入 射 点 处 初 相 位 为 零 ，即 入
第３ 第１ １卷 ， ２期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ２ ０ １ １年１ ２ 月 Ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ａ ｎ ｄ Ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｐ ｐ ｙ ｐ ｙ
３ ２ ３ ６ Ｖ ｏ ｌ ． ３ １， Ｎ ｏ ． １ ２， ３ ２ ４ ０ － ｐ ｐ ， Ｄ ｅ ｃ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ ２ ０ １ １
引 言
目 前 双 波 长 红 外 测 温 技 术 广 泛 应 用 于 现 代 工 业 领 １， ２］ ，它受被测物 体 比 辐 射 率 的 影 响 小 ，能 排 除 中 性 介 质 域［
３， ４］ ，特 别 适 用 于 测 量 局 部 被 遮 挡 或 的影响并且抗干扰 性 强 ［ ５］ 。但是在 一 些 复 杂 环 境 下 测 无法充满测量视场的目标温度 ［
Ｆ ｉ ． １ Ｔ ｈ ｅ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｇ ｇ ｇ ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｐ
第１ ２ 期 光谱学与光谱分析 １ ． １ 宽带滤光片 宽带滤光片采用常用带通滤光片 ，带 通 滤 光 片 是 让 特 定 波长的光通过而让其他 波 段 的 光 反 射 （ 或衰减） 的 光 学 元 件。 根据测温要求选用近红外光谱段的工作 区 域 ，元 件 材 料 一 般 为Ｋ ９ 玻璃 、石 英 玻 璃 等 ，中 心 波 长 为 ２ １ ６ ５ｎ ｍ，带 宽 为 （ ） ２ １ ６ ５±１ ０ ０ ｎ ｍ，透过率 ＞９ ０％ 。 １ ． ２ 三级干涉滤光器 单级干涉滤光片如图 ２ 所 示 ，由 两 个 石 英 板 构 成 ，折 射 率为 ｎ，两板的 内 表 面 平 行 ，并 镀 有 高 反 射 率 膜 层 ，组 成 一 个具有高反射率 表 面 的 空 气 层 平 行 平 板 ，空 气 层 间 隙 为 ｈ。 对辐射的红外光谱具有干涉滤光的作用 ，可 透 过 特 定 波 长 的 光谱 。三级干涉滤光器如图 ３ 所 示 ，它 由 三 个 不 同 空 气 间 隙 的单级干涉滤光片组成 。通过设定三个单 级 干 涉 滤 光 片 的 间 隙 ，得到不 同 的 透 射 光 谱 ，相 互 叠 加 后 最 终 透 过 一 单 色 光 谱 ，同时各滤光 片 按 ６ 角 放 置 ，使 其 中 的 反 射 光 偏 离 透 射 ０ ° 光的范围 ，以免干扰 。该结构充 分 的 抑 制 了 物 体 周 围 背 景 光 和环境光源的干扰 ，并保证了 特 定 单 色 光 的 通 过 ，提 高 了 测 温精度 。
］ ８ １ ０ － 。 接影响双色信号的比值 ，从而影响系统的测温精度 ［
本文提出了一种高精度的红外测温 系 统 。系 统 采 用 双 通 道结构通过宽带滤光片和三级干涉滤光 器 结 合 ，对 物 体 发 出 的近红外光谱进行滤光 。该系统能够充分 的 抑 制 高 温 物 体 周 围背景光和环境光源辐射 ，同 时 保 证 所 需 光 谱 的 通 过 ，降 低 了复杂环境外来辐射和物体状态变化的 干 扰 ，提 高 了 系 统 信 噪比 ，减小测温误差 ，更精确的得到物体温度 。
…） ｍ ｎ ｈ ｃ ｏ ｓ ６ ０ ° ｍ ＝ １， ２， ３， λ （ ０ ＝２
（ ） ５
式中 ｍ 为干涉级 次 。当 选 择 材 料 和 调 节 干 涉 滤 光 片 间 隙 使 ） 时 ，透射光中波长为 λ ｎ ｈ 满足式 （ ５ ０ 的 光 透 过 率 最 大 ，而 不 Ｆ ｉ ． ２ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｓ ｉ ｎ ｌ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ｉ ｌ ｔ ｅ ｒ ｇ ｇ ｇ ） 满足式 （ 的光将被滤掉 。 ５ 三级干涉滤光器滤光作用是三个单级干涉滤光片叠加后 则三个 的效果 。设间单级干涉滤光片隙分别为 ｈ ｈ １， ２ 和ｈ ３。 单级干涉滤光片的透过率为 ｎ ｈ ｃ ｏ ｓ ６ ０ ° π ４ Ｒ ｎ ２ ２ （ ） ｓ ｉ ｎ Ｄｎ ＝ １ ６ １＋ （ ２ λ １－Ｒ） 式中 ， ｎ＝１， ２， ３。那么三级干涉滤光器 透 过 率 公 式 为 Ｄ＝Ｄ１
（
（
））
×Ｄ２ ×Ｄ３ 。 本 测温系统的测温范围为 ７ ０ ０～１ ５ ０ ０ ℃ ，所以选取近红 外光谱范围的两个波长 ，分别为 ２ 和 ． １ ２ ５ ２ ． ２ ２ ５μ ｍ。选取宽 带滤光片透射光谱波段为 ２ ． ０ ６ ５～２ ． ２ ６ ５μ ｍ，设 定 两 通 道 的 三级干涉滤光器参数如表 １ 所示 。 Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ １ Ｐ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ｉ ｌ ｔ ｅ ｒ －
温精度还不能满足要 求 。张 忠 恒 等 采 用 避 开 “ 辐射率修正困 难” 的方法 ，弥补 了 红 外 测 温 仪 准 确 度 不 高 的 缺 陷 ，可 以 精 确测出被测对象的温度 。孙志远等在目标 附 近 放 置 一 个 超 大 面元黑体来消除环境 反 射 辐 射 和 大 气 辐 射 等 辐 射 量 的 影 响 ，
［ ｉ ０ １ ２］ 珟０ ＝ Ａ 射光复振幅为 Ｅ ｅ ＝ Ａ ，则各透射光的复振幅为 （ ） ２（ Ｐ－ １） ｉ 珟Ｐ ＝ Ａ …） （ ） Ｅ ｄ２ ｒ ｅ Ｐ－１ （ Ｐ ＝ １， ２， ３， １
Hale Waihona Puke Baidu
式中 ， ｒ 为高反射膜层反射率 ； ｄ 为平行平 板 透 射 率； 为入 射光与透射光的相位差 。
基于近红外光谱的高精度测温系统
张玉存 ，齐艳德 ＊ ，付献斌
燕山大学电气工程学院 ，河北 秦皇岛 ０ ６ ６ ０ ０ ４
摘 要 目前红外测温方法难以消除复杂环境 下 外 来 辐 射 的 干 扰 ，导 致 测 温 精 度 低 ，设 计 了 一 种 高 精 度 的 红外测温系统 。该系统提出了由宽带滤光片和 三 级 干 涉 滤 光 器 结 合 的 滤 光 方 法 ，根 据 该 方 法 对 高 温 物 体 发 出的近红外光谱进行滤光 ，将高温背景光和环境干扰光滤掉 ，得到两个单色光谱 ，经红外探测器接收获得其 辐射功率比 ，通过计算得出物体温度 。该系统透过的单 色 光 谱 带 宽 仅 有 １ｎ ｍ，将 透 射 光 谱 以 外 的 背 景 光 辐 射和环境光源辐射抑制达 ８ 个数量级 ，降低了 因 被 测 对 象 周 围 环 境 升 温 引 起 的 测 温 误 差 ，提 高 测 温 系 统 的 精度 。最后通过实验验证了该测温系统的可行性 ，精度达 ０ ． ２％ 。 关键词 近红外光谱 ；红外探测器 ；宽带滤光片 ；三级干涉滤光器 ： ／ （ ） 中图分类号 ： ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ ＴＮ ２ １ ５ 文献标识码 ：Ａ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ０ ５ ９ ３ ２ ０ １ １ １ ２ ３ ２ ３ ６ ０ ５ － － － ｊ
Ｆ ｉ ． ３ Ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ｉ ｌ ｔ ｅ ｒ － ｇ １ ． ３ 红外探测器 红外探测器的好坏直接影响信号的 精 度 ，它 将 被 测 物 体
带宽进行了优化设计 ，从而获 得 两 个 最 优 的 光 谱 信 息 ，使 其 测温精度和灵敏度满足实际需要
［ ７］
。以上 方 法 都 取 得 了 一 定
的成果 ，但是在一些环境极其 恶 劣 的 工 作 条 件 下 ，比 如 在 高 温锻造过程中 ，大型 锻 件 表 面 状 态 （ 如 氧 化 、剥 离 、生 锈 等 ） 不断变化 ，高温锻件周围环境 温 度 升 高 ，厂 房 温 度 高 等 都 直
∞
珟Ｄ ＝ Ｅ
珟 ∑Ｅ
Ｐ＝１
Ｐ
ｄ ＝Ａ
２
＝Ａ １－Ｒ ｅ ） １－ｒｅ ） （ （
２ ｉ
１
Ｄ
ｉ
（ ） ２
２ ２ 珟Ｄ 为总透射光 ， ， ， 则 Ｅ Ｒ ＝ｒ Ｄ ＝ｄ Ｒ ＋Ｄ ＝ １。 其中 ，
透射光强度为 （ １－Ｒ） Ｉ ＝（ ２ ２ （ ／ ）０ １－Ｒ） Ｒ ｓ ｉ ｎ ２ ＋４ ／ ｎ ｈ ｃ ｏ ｓ ６ ０ ° 其中 ， π λ。 φ ＝４
高反射膜 石英折 反射率／％ 射率 三级干涉 滤光器 Ａ 三级干涉 滤光器 Ｂ ９ ５ １ ． ５ ５ ３ 单级干涉 滤光片 １ ２ ３ ４ ９ ５ １ ． ５ ５ ３ ５ ６ 间隙距 离／ ｍ μ １ ２ １ ． ７ ８ ２ ０ ３ ． ８ ８ ２ ． １ ２ ５ ７ １ ． １ ５ １ ５ ７ ． ６ ０ ２ ２ ７ ． ８ ０ ２ ． ２ ２ ５ ９ ８ ． ８ ６ 中心波 长／ ｍ μ
珟Ｄ Ｉ＝ Ｅ
２
２
（ ） ３
则单级干涉滤光片的透过率为 ｎ ｈ ｃ ｏ ｓ ６ ０ ° ４ Ｒ π ２ ２ （ ） ｓ ｉ ｎ Ｄ ＝１ ４ １＋ （ ２ λ １－Ｒ） 如果要求干涉滤光片透过中心波长为λ ０ ，即要使 波 长 为
（
（
） ）
２ ２ ／ ／ ｉ ｎ ２ 最 小 ，即 ： ｓ ｉ ｎ ２＝０，则 得 到 λ ０ 透射率最大 ，须 让 ｓ φ φ ／ ｍ ｈ ｎ ｃ ｏ ｓ ６ ０ ° π。将 φ 值代入φ＝４ π λ得 φ＝２
１ 红外双色测温系统
该红外测温系统结构如图 １ 所示 ，高 温 锻 件 辐 射 发 出 的 红外光谱由聚光镜 收 集 ，再 经 过 散 光 镜 将 光 束 变 成 平 行 光 ， 经宽带滤光片可透过包括预测波长的宽 带 光 ，宽 带 光 到 达 分 光片一部分透过分光片进入三级干涉滤 光 器 Ａ，得 到 中 心 波 长为λ １ 的窄带 光 ，再 经 过 牛 顿 双 反 射 镜 和 场 镜 将 透 射 光 收 集到红外探测器 １。另一部 分 宽 带 光 由 分 光 片 反 射 经 三 级 干 涉滤光器 Ｂ 得到中 心 波 长 为 λ ２ 的 窄 带 光 ，最 后 收 集 到 红 外 探测器 ２。然后将两个红外 探 测 器 探 测 到 的 不 同 波 长 的 单 色 光信号转变成电信号 ，由数据 采 集 卡 采 集 输 入 到 计 算 机 ，最 终计算并显示被测物体温度 。
，修订日期 ： ２ ０ １ １ ０ ３ ３ ０ ２ ０ １ １ ０ ７ １ ０ 收稿日期 ： － － － － ） 资助 ２ ０ １ １ Ｚ Ｘ ０ ４ ０ ０ ２ １ ０ １ 基金项目 ：国家科技重大专项 （ － ： １ ９ ６ ９ 年生 ，燕山大学电气工程学院副教授 ｅ ａ ｉ ｌ ｏ ｌ ｄ ｚ ｈ ａ ｎ ｓ ｕ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ 作者简介 ：张玉存 ， －ｍ ＠ｙ ｇ ： ａ ｉ ｌ ｉ ａ ｎ ｄ ｅ ｈ ａ ｏ ２ ６． ｃ ｏ ｍ ＊ 通讯联系人 ｅ －ｍ ＠１ ｑ ｙ
３ ２ ３ ７
滤光系统得到两个单色光谱 ，由红外探测 器 接 受 转 换 成 电 信 号得到两单色光谱的辐射功率比 ，将其代 入 测 温 公 式 即 可 求 出物体温度 。单级干涉滤光片 滤 波 原 理 如 图 ２ 所 示 ，当 一 束 非单色光以 ６ 角入 射 ，各 光 束 在 标 准 平 面 之 间 来 回 反 射 形 ０ ° 成一系列彼此光程 差 为 ２ 沿同一方向出射的透射光 ｎ ｈ ｃ ｏ ｓ ６ ０ ° 束 。假设介质无吸收 ，不 考 虑 两 外 侧 界 面 的 反 射 时 ，设 入 射 光振幅为 Ａ，入射光束在上界 面 入 射 点 处 初 相 位 为 零 ，即 入
第３ 第１ １卷 ， ２期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ２ ０ １ １年１ ２ 月 Ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ａ ｎ ｄ Ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｐ ｐ ｙ ｐ ｙ
３ ２ ３ ６ Ｖ ｏ ｌ ． ３ １， Ｎ ｏ ． １ ２， ３ ２ ４ ０ － ｐ ｐ ， Ｄ ｅ ｃ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ ２ ０ １ １
引 言
目 前 双 波 长 红 外 测 温 技 术 广 泛 应 用 于 现 代 工 业 领 １， ２］ ，它受被测物 体 比 辐 射 率 的 影 响 小 ，能 排 除 中 性 介 质 域［
３， ４］ ，特 别 适 用 于 测 量 局 部 被 遮 挡 或 的影响并且抗干扰 性 强 ［ ５］ 。但是在 一 些 复 杂 环 境 下 测 无法充满测量视场的目标温度 ［
Ｆ ｉ ． １ Ｔ ｈ ｅ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｇ ｇ ｇ ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｐ
第１ ２ 期 光谱学与光谱分析 １ ． １ 宽带滤光片 宽带滤光片采用常用带通滤光片 ，带 通 滤 光 片 是 让 特 定 波长的光通过而让其他 波 段 的 光 反 射 （ 或衰减） 的 光 学 元 件。 根据测温要求选用近红外光谱段的工作 区 域 ，元 件 材 料 一 般 为Ｋ ９ 玻璃 、石 英 玻 璃 等 ，中 心 波 长 为 ２ １ ６ ５ｎ ｍ，带 宽 为 （ ） ２ １ ６ ５±１ ０ ０ ｎ ｍ，透过率 ＞９ ０％ 。 １ ． ２ 三级干涉滤光器 单级干涉滤光片如图 ２ 所 示 ，由 两 个 石 英 板 构 成 ，折 射 率为 ｎ，两板的 内 表 面 平 行 ，并 镀 有 高 反 射 率 膜 层 ，组 成 一 个具有高反射率 表 面 的 空 气 层 平 行 平 板 ，空 气 层 间 隙 为 ｈ。 对辐射的红外光谱具有干涉滤光的作用 ，可 透 过 特 定 波 长 的 光谱 。三级干涉滤光器如图 ３ 所 示 ，它 由 三 个 不 同 空 气 间 隙 的单级干涉滤光片组成 。通过设定三个单 级 干 涉 滤 光 片 的 间 隙 ，得到不 同 的 透 射 光 谱 ，相 互 叠 加 后 最 终 透 过 一 单 色 光 谱 ，同时各滤光 片 按 ６ 角 放 置 ，使 其 中 的 反 射 光 偏 离 透 射 ０ ° 光的范围 ，以免干扰 。该结构充 分 的 抑 制 了 物 体 周 围 背 景 光 和环境光源的干扰 ，并保证了 特 定 单 色 光 的 通 过 ，提 高 了 测 温精度 。
］ ８ １ ０ － 。 接影响双色信号的比值 ，从而影响系统的测温精度 ［
本文提出了一种高精度的红外测温 系 统 。系 统 采 用 双 通 道结构通过宽带滤光片和三级干涉滤光 器 结 合 ，对 物 体 发 出 的近红外光谱进行滤光 。该系统能够充分 的 抑 制 高 温 物 体 周 围背景光和环境光源辐射 ，同 时 保 证 所 需 光 谱 的 通 过 ，降 低 了复杂环境外来辐射和物体状态变化的 干 扰 ，提 高 了 系 统 信 噪比 ，减小测温误差 ，更精确的得到物体温度 。
…） ｍ ｎ ｈ ｃ ｏ ｓ ６ ０ ° ｍ ＝ １， ２， ３， λ （ ０ ＝２
（ ） ５
式中 ｍ 为干涉级 次 。当 选 择 材 料 和 调 节 干 涉 滤 光 片 间 隙 使 ） 时 ，透射光中波长为 λ ｎ ｈ 满足式 （ ５ ０ 的 光 透 过 率 最 大 ，而 不 Ｆ ｉ ． ２ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｓ ｉ ｎ ｌ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ｉ ｌ ｔ ｅ ｒ ｇ ｇ ｇ ） 满足式 （ 的光将被滤掉 。 ５ 三级干涉滤光器滤光作用是三个单级干涉滤光片叠加后 则三个 的效果 。设间单级干涉滤光片隙分别为 ｈ ｈ １， ２ 和ｈ ３。 单级干涉滤光片的透过率为 ｎ ｈ ｃ ｏ ｓ ６ ０ ° π ４ Ｒ ｎ ２ ２ （ ） ｓ ｉ ｎ Ｄｎ ＝ １ ６ １＋ （ ２ λ １－Ｒ） 式中 ， ｎ＝１， ２， ３。那么三级干涉滤光器 透 过 率 公 式 为 Ｄ＝Ｄ１
（
（
））
×Ｄ２ ×Ｄ３ 。 本 测温系统的测温范围为 ７ ０ ０～１ ５ ０ ０ ℃ ，所以选取近红 外光谱范围的两个波长 ，分别为 ２ 和 ． １ ２ ５ ２ ． ２ ２ ５μ ｍ。选取宽 带滤光片透射光谱波段为 ２ ． ０ ６ ５～２ ． ２ ６ ５μ ｍ，设 定 两 通 道 的 三级干涉滤光器参数如表 １ 所示 。 Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ １ Ｐ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ｉ ｌ ｔ ｅ ｒ －
温精度还不能满足要 求 。张 忠 恒 等 采 用 避 开 “ 辐射率修正困 难” 的方法 ，弥补 了 红 外 测 温 仪 准 确 度 不 高 的 缺 陷 ，可 以 精 确测出被测对象的温度 。孙志远等在目标 附 近 放 置 一 个 超 大 面元黑体来消除环境 反 射 辐 射 和 大 气 辐 射 等 辐 射 量 的 影 响 ，
［ ｉ ０ １ ２］ 珟０ ＝ Ａ 射光复振幅为 Ｅ ｅ ＝ Ａ ，则各透射光的复振幅为 （ ） ２（ Ｐ－ １） ｉ 珟Ｐ ＝ Ａ …） （ ） Ｅ ｄ２ ｒ ｅ Ｐ－１ （ Ｐ ＝ １， ２， ３， １
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式中 ， ｒ 为高反射膜层反射率 ； ｄ 为平行平 板 透 射 率； 为入 射光与透射光的相位差 。
基于近红外光谱的高精度测温系统
张玉存 ，齐艳德 ＊ ，付献斌
燕山大学电气工程学院 ，河北 秦皇岛 ０ ６ ６ ０ ０ ４
摘 要 目前红外测温方法难以消除复杂环境 下 外 来 辐 射 的 干 扰 ，导 致 测 温 精 度 低 ，设 计 了 一 种 高 精 度 的 红外测温系统 。该系统提出了由宽带滤光片和 三 级 干 涉 滤 光 器 结 合 的 滤 光 方 法 ，根 据 该 方 法 对 高 温 物 体 发 出的近红外光谱进行滤光 ，将高温背景光和环境干扰光滤掉 ，得到两个单色光谱 ，经红外探测器接收获得其 辐射功率比 ，通过计算得出物体温度 。该系统透过的单 色 光 谱 带 宽 仅 有 １ｎ ｍ，将 透 射 光 谱 以 外 的 背 景 光 辐 射和环境光源辐射抑制达 ８ 个数量级 ，降低了 因 被 测 对 象 周 围 环 境 升 温 引 起 的 测 温 误 差 ，提 高 测 温 系 统 的 精度 。最后通过实验验证了该测温系统的可行性 ，精度达 ０ ． ２％ 。 关键词 近红外光谱 ；红外探测器 ；宽带滤光片 ；三级干涉滤光器 ： ／ （ ） 中图分类号 ： ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ ＴＮ ２ １ ５ 文献标识码 ：Ａ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ０ ５ ９ ３ ２ ０ １ １ １ ２ ３ ２ ３ ６ ０ ５ － － － ｊ
Ｆ ｉ ． ３ Ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ｉ ｌ ｔ ｅ ｒ － ｇ １ ． ３ 红外探测器 红外探测器的好坏直接影响信号的 精 度 ，它 将 被 测 物 体