D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.01.014 北京钢铁学院学报 1983年第1期 小目标红外测温仪 北京钢铁学院 顾形 蔡家敏 上海技术物理所陈国勋 摘 ”要 针对磨削加工过程中温度测量的需要研制了红外测温仪。木文介绍它的原理 与结构。其主要特点是能够对0.4×0,6mm2的小面积辐射源进行非接触测温，能 迅速反应出被测目标的微小温度变化。测温范围600一170°℃。该仪器还可用于 感应炉熔区温度测量，高频淬火工件表面温度测量等。文中还简要介绍了磨削区 表面温度测试情况。 一、引 言 对于金属工件的切削加工将引起切削区域的局部温度刷烈升高。磨削较其它切削速度 高，蘑削区瞬时温度可达1000°C以上，直接影响工件表面的物理和机械性能，往往降低加 工精度和表面质量。研究工件表面状况随磨削温度变化的规律，从而控制磨削温度、获得 高质量的加工工件，这是磨削工作者关切的课题之一。对这一问题的实验研究，国内外普 遍采用热电偶法测温，由于此法属于直接测温法，而磨削时砂轮与工件接触面小，温度变 图1·小目标红外测温议外观 169
北 京 铜 铁 学 院 学 报 日 年第 期 小 目标 红 外 测 温 仪 北 京钢 铁 学院 顾 形 蔡 家敏 上 海 技 术物 理 所 陈 国勋 摘 要 针对磨 削加工过 程 中温度测 量 的需要研 制了红 外 测温 仪 。 木文 介绍 它的 原理 与结构 。 其主 要特点是能够对。 “ 的小面积辐射源进行非接触测 温 ， 能 迅 速反应 出被测 目标的微小温度变化 。 测温 范围 一 。 。 。 。 该仪器 还可 用于 感应炉熔区温度测 量 ， 高频淬火工件表面温度侧量等 。 · 文中还简要介绍 了磨削区 表面温度测试情况 。 一 、 引 言 对于余属工件的切 削加工将 引起切 削区域的局部温 度剧烈 升高 。 磨削较其它 切 削速 度 高 ， 磨削区 瞬 时温度可达 。 。 。 “ 以上 ， 直接影响工件表 面的物理和机械性能 ， 往 往 降低 加 工 精度 和表面质量 。 研究工件表面状 况随 磨削温度 变化 的规律 ， 从而 控制 磨 削温度 、 获得 高质量 的加工 工件 ， 这是磨 削工作者关 切的 课题之 一 。 对 这一问 题 的 实验 研 究 ， 国 内外 普 遍 采 用热 电偶 法测 温 ， 由于此法属于直接测温 法 ， 而磨 削时砂轮与工件接触面 小 ， 温度变 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．01．014
化迅速，磨削过程中影响热电势的因素又很多，实际应用热电偶法测量磨削区的温度存在 很大困难。红外测温法正好具有热电偶法所不具备的优点，如测温时无须与被测物体接 触，响应时间短，分辨率高等，这里介绍的小目标红外测温仪就是针对蘑削区温度测量的 需要而研制的。从已进行的初步试验结果来看，用它实现磨削温度的测量与控制是可行 的，但也存在一些具体问题儒进一步研究克服。 二、测温原理 红外测温常用亮温法及比色法。考虑到被测目标小，为取得足够的信噪比而选用亮温 法，其测温原理如下： 按照黑体辐射的Planck公式，黑体的光谱辐射度r与黑体的热力学温度T有下述关 系 ri=C,入-8〔(expC2/T)-1]-1 (1) 其中C,=2πC2h一第一辐射常数 C2=hc/k一一第二辐射常数 h”普朗克常数 k—玻尔兹曼常数 C—光速 入——辐射波长 黑体的光谱辐射亮度b:与其光谱辐射度：之间只相差一相乘常数π，因此，黑体的光谱辐 射亮度也是入与T的函数。当入一定时，不同的辐射亮度对应不同的温度，也就是说，对于 黑体，可由公式(1)以光谱辐射亮度来表示它的温度。 实际物体并非黑体，当物体的温度与黑体的温度相同时，其光谱辐射度低于黑体的光 谱辐射度，二者的联系为： r(T)=eari(T) (2) 其中「.(T)一一物体的光谱辐射度 e.一一物体的光谱发射系数 ,随物体的不同、物体表面状况的不同而异，其数值总是小于1。 由(2)可见，任一物体的光谱辐射度也是入与T的函数，若物体是朗伯辐射体·，我们 就可用它的光谱辐射亮度来表示它的温度。但由于ε.的影响，同一温度的不同物体其光谱 辐射亮度不同。这样，对实际的辐射测温仪器来说，接收到同样大小的辐射功率（测温仪 示值相同)并不能说明被测物体温度相同。为此，以黑体的光谱辐射亮度为基准，引入亮 温度概念。设，(T)为某物体在温度T时的光谱辐射度，黑体的温度为T,时其光谱辐射度 i(T,)正好与之相等，即有： ra(T)=ri(T) (3) 或由(2)式，将上式写成 eari(T)=r(T (3) ·朗伯辐射体也称余弦辐射体，遵守朗伯余弦定律，辐射各向同性。 170
化迅速 ， 磨削过 程 中影响热 电势的 因素又很多 ， 实际应用热 电偶 法测量磨削区的温度存在 很 大 困难 。 红外 温法正好具有热 电偶 法所 不具备的优点 ， 如测温时无须与被 测 物 休 接 触 ， 响应时间 短 ， 分辨率高等 ， 这里介绍的 小 目标红外测温仪就是针对磨削区温度测量的 需要而研制的 。 从 已进 行的初步试验结果来看 ， 用 它实现磨 削温度的 量与控 制 是 可 行 的 ， 但 也 存在一些 具体问题需进十步研究克服 。 ” 二 、 测 温 原 理 红外侧温常用亮温法及比色法 。 考虑到被侧 目标小 ， 为取得足够的信噪比而选用 亮温 法 ， 其测温原理如下 按照 黑体辐射 的 “ ” “ 公 式 ， 黑体的 炭谱辐射廉炸与黑体的热力学温度 有 下 述 关 系 飞 入 一 。 〔 入 一 〕 一 ， 其 中 二 吕 － 第一辐射常数 ‘ － 第二辐射常数 一 普朗克常数 － 玻尔兹曼常数 － 光速 人－ 辐射波长 黑体的 光谱辐射亮度 飞与其光谱辐射度八 之间 只相差一相乘常数二 ， 因此 ， 黑体的光 谱 辐 射亮度也是入与 的 函数 。 当久一定 时 ， 不同的辐射 亮度对应不同的温度 ， 也就鼻说 ， 对 于 黑体 ， 可由公 式 以光谱辐射 亮度来表示它的 温度 。 实际物体并非黑体 ， 当物体的温度与黑体的温度相同时 ， 其光谱辐射度低于黑体的光 谱辐射度 ， 二者的联系 为 ‘ 。 飞 其中 、 － 物体的光谱辐射度 。 － 物体的光谱发射系数 。 、 随物体的 不 同 、 物体表面状况的 不 同而异 ， 其数值总是小于 。 由 可见 ， 任一物体的光谱辐射度也是入与 的函数 ， 若物体是朗伯辐射体 ， 我 们 就可用 它的光谱辐射亮度来表示它 的温度 。 但 由于。 的影响 ， 同一温度的不 同物体其光谱 辐射亮度不同 。 这样 ， 对实际的辐射测温 仪器来说 ， 接收到同样大小的辐射功率 测温仪 示值相同 并不能说明被侧物体温度相 同 。 为此 ， 以黑体的光谱辐射亮度为基准 ， 引人 亮 温度概念 。 设 为某物体在温度 时的光谱辐射度 ， 黑 体的温度为 ‘ 时 其光谱辐 射 度 飞 ‘ 正好与之 相等 ， 即有 ‘ 飞 ‘ 或 由 式 ， 将上式写成 。 飞 气 ‘泛 ， 朗 伯辐射体 也 称 余弦辐射休 ， 遵 守 朗伯余孩定律 ， 辐射 各向同性
(3)式即为亮温度的定义式，T,称为该物体在入波长下的亮温度。亮温度低于物体的真 实温度。 C 容易证明，当RT《h气时，物体的亮温度T,与真实温度T之间有如下关系式： -会恕 (4) 若以亮温度代替真实温度，其相对误差为： 工P=r,8 (5) 因e:<1,(5)式右端小于0，表明T。<T。物体的，愈小、所测得的亮福值愈大时，相 对误差就愈大。 实际上，严格的单色波长无法实现。实际选取的总是某一波长区间△入=入2一入1，这 时，亮温度的定义式(3)应改写为积分式 ^2 Jer°(T)rS,dλ =Jx8(T)TS,dA (6) 其中t.一光学系统透过率 S,一探测器的光谱响应 在此情况下需引人有效波长来定义亮温度。定义某温度点的亮温用极限有效波长入，延伸 温标及运算过程用平均有效波长入，其表达式分别为： 入= r°(T)rSd入 (7) 21 J,入r()rsd c公 (8) InJar8 (T)S,d 2 Jxr8 (T)taS,d 式中T。为起始点温度，T为延伸点温度，入为入，的当T。一T时的极限情况。有关的论述参 见文献〔3〕〔4)。 引入有效波长后，由(6)式可得出形式与(4)式相同的式子，只是(4)式中的入、e: 已分别为入.及e.代替。 实际的亮温测温仪常用两种方法分度，一是以黑体为标准分度。标准仪器的有效波长 若与被检定的测温仪不同，则需进行修正。分度后的仪器可测量黑体的真实温度及非黑体 的亮温度。由被测物体的亮温值及该温度点的极限有效波长，并已知该物体的光谱发射系 数，可按(4)式（入一入.，e.一e.)将亮温度换算为真实温度。另一方法是以与被测物相同 的辐射体在近似相同的条件下用标准热电偶等直接测温仪器测温而间接对测温仪分度。此 法实际应用时较方便，但只有相对意义，不确定度较差。 171
式即 为亮温度的定 义式 ， ‘ 称为该物体在入波长下 的 亮温度 。 亮温度低于 物 体 的 真 实 温度 。 容易证 明 ， 当 《 贡时 ， 物体的 亮温度 ‘ 与真实温度 之 间有如下 关 系式 入 、 丫 一 双 二 下百一 若以亮温度代替真实温 度 ， 其相对误 差 为 ‘ 一 入 ￡ 因。 ， 式 右 端小于 。 ， 表 明 ‘ 。 物体的。 、 愈 小 、 所测得的亮温 值愈 大 时 ， 对误差 就愈大 。 实际 上 ， 严格 的 单色波 长无法实现 。 实 际选 取的 总是某一波长区 间△入二 入 一 入 ， 时 ， 亮 温度 的定义 式 尹 应改 写 为积 分式 相 。 、 。 、 ， ‘ 入 、 ‘ ， ‘ ‘ 其中 － 光学系统透过率 、 － 探测器的 光谱响应 在此情况下需 引人有效波长来定 义亮温度 。 定义某温度点的亮温 用 极限有效波长入 ， 延伸 温标及运算过 程 用平 均有效波长 入 ‘ ， 其表 达式分别 为 户卜 ﹄八一户 入 “ 丫 、 、 入 入 艾 入 丫 入 ·，一 几 “ 式 中 。 为起 始点 温度 ， 为延 伸点温度 ， 入 为入 ， 的 当 。 一 时的极 限情况 。 有关 的 论述 参 见文 献 。 〔 〕 〔 〕 。 引人有效 波长 后 ， 由 丈 式可得 出形 式 与 式相 同的 式子 ， 只是 式 中 的 久 、 “ · 已分别 为入 。 及。 、 了七替 。 实际 的亮温侧温仪常用两 种方 法分度 ， 一 是 以黑体为标准分度 。 标准 仪器的 有效波长 若与被检定的测温仪不 向 ， 则需班行修正 。 分度 后的 仪器可 测量 黑体的 真实温度及非 黑体 的 亮温度 。 由被 物体的亮温值及该温度点 的极限有效波长 ， 并 已 知 该物 休的 光谱 发 射 系 数 ， 可 按 式 入一入 ， 。 一 、 将 亮温度换算 为真实温度 。 另一方 法是 以 与被 测物相同 的辐射 体在近似相同的 条件 下用标准热 电偶等直接测温 仪器 测温 而间接对 侧温 仪分度 。 此 法实际 应用时较方便 ， 但 只 有相对意义 ， 不确定度较差 。 草
三、仪器简介 1.探测系统 考虑到被测对象温度变化范围约为800一1400°C,与之相应的最大波长入max为1.7一 3μ，因而采用PbS薄膜光导探测器，为保证仪器的长期稳定性，元件应经长期老化后筛选 使用。其探测率优于10cmHZ/W,光敏面0,4×0.6mm2,响应时间<300μs。光学调制 频率选用400HZ,调制盘由微型同步马达驱动。探测器附有半导体致冷器，二者封装在一 个均热套内，由精密恒温控制电路保证元件处在恒定温度下，防止因环境温度变化或元件 经长时间辐射后温度升高而引起的示值漂移。 2,光学系统 本仪器选用折射式光学转象系统，由聚光部分和瞄准部分组成。它的优点是结构简单、 紧凑，主要光路完全对称，有利于成象质量。光路示意如图4。人射辐射经聚光系统聚焦 至探测器，其中的可见光部分由硅滤光片阻挡，并经硅片的磨光表面及平面镜两次反射后进 入瞄准系统放大成象，供瞄准观测用。 3,信号处理系统 电路原理框图如图2。 同步信号 光二极前 整形放人 控制器 前置放大 滤波 市放大器 同步伦讨 致冷器 功放 i记录 精密恒 温控制 图2.电路原理枢图 由探测器检出的调制信号经前置放大器、主放大器放大后，一路送至同步检波器，另 一路直接经功率放大后推动SC16光线示波器记录。前置放大器是一级场效应管跟随器，主 放大器由集成块5G24构成。对调制信号采用同步检波以减小带宽、提高温度分辨率。同 步信号由光电二极管检出，经放大、整形后送出同步脉冲至同步检波器，检波器输出的信 号经平滑滤波后送至表头显示。 同步检波器原理示意如图3。随着同步信号控制场效应管的导通与关断、各电阻阻值 的适当配置可使5G24的放大倍数分别为+1和-1，从而达到同步检波的目的。 仪器采用全集成化稳压电源，由WB724HB构成对称正负电源供给全机。 精密恒温控制电路以热敏电阻作检出元件构成桥式电路，经平衡放大器检出不平衡电 流去控制冷电流的精细调整，以维持元件处于恒温状态。 整机结构示意如图4 172
三 、 仪 器 简 介 探测系统 考虑到被测对象温度变化范围 约 为 一 。 “ ， 与之相应的最 大波长入‘ 为 一 ， 因而采用 薄膜光导探测器 ， 为保证仪器的长期隐定 性 ， 元件应经长期老化后筛选 使用 。 、 其探测率 优于 · 称 ， 光敏面 咖 ， ， 响应时间 畔 。 光学调 制 频率选 用 ， 调制盘 由微型 同步马 达驱动 。 探测器附有半导体致冷器 ， 二者封装在一 个均热套内 ， 由精密恒温控制 电路保证元件处在恒定温度下 ， 防 止 因环境温度变化或元件 经长时间辐射后温度升高而 引起的 示值漂移 。 · 光学系统 丫 本仪器选用 折射式光学转象系统 ， 由聚光部分和瞄准部分组成 。 它的优点是结构简单 、 紧凑 ， 主要光路完全对称 ， 有利于成象质盘 。 光路示意如图 。 人射辐射经聚光系统聚焦 至探测器 ， 其中的可见光部分 由硅 滤 光片阻 挡 ， 并经硅片的磨光表面及平面镜两次反射后进 人瞄准系统放大成象 ， 供瞄准观测 用 。 信号处理系统 电路原理框图如图 。 图 电路原 理框图 由探测器检 出的 调制 信号经前置放大器 、 主放大器放大 后 ， 一路送至 同步检波器 ， 另 一路直接经功率放大后推动 光线示波器记录 。 前置放大器是一级场效应管跟随 器 ， 主 放大器 由集成块 构成 。 对调制 信号采用 同步检波 以减小带 宽 、 提高温度分 辨 率 。 同 步信号 由光电二极管检 出 ， 经放 大 、 整形后送出同 步脉冲至 同步 检波器 ， 检波器输出的 信 号经平滑滤波后送至表头 显示 。 同步检波器原理示意如图 。 随着 同步 信号控制场效应管的 导通 与关断 、 各 电阻阻值 的适 当配置可使 的放大倍数分别 为 十 和 一 ， 从而达到 同步检波的 目的 。 仪器采 用 全集成化稳压 电源 ， 由 妇构成对称正负电源供给全机 。 精密恒温控制 电路以热敏电阻作检出元件构成桥式电路 ， 经平衡放大器检出不平衡电 流去控制 冷电流的精细调整 ， 以维持元件处王恒温状态 。 整机结构示意如 图
R R 5C 24 3DJ7 图3同步检放器原理图 -1011 12 13 1,目标，2.物镜组，3.被北片；4.反射镜，5，分划板： 6.目镜组？，髑制盘，8，微电机，9.窗日，10，探测器， 11,致冷谬，12.参考光源，13.光电二极件， 图4小日标测温仪鳖机示意图 四、仪器性能指标 测温范围 600~1700°C 响应波段 1~3.3μ 温度分辨率 1C 工作距离 300mm 目标面积 0.4×0.6mm2 响应时间 <1s 五、磨削温度测试概况 试验在万能工具磨床及外圆磨床上进行。为使测温仪能直接接收磨削区的辐射，换用 了特制的开槽砂轮（图5）。此外，还做了测磨削火花温度的试验（图6），试图找出火 花温度与磨削区温度的关系。试验结果均符合磨削规律（图7）。与热电偶法比较，红外测 温法能较好地反映磨削温度的瞬时变化情况。详情可参看〔7〕，进一步的研究正在进行中。 本仪器的研制在陈国勋同志指导帮助下进行，南京工学院时修荣同志参加了机械部分 的设计并组织了磨削试验。仪器的机械加工由南工切削实验室协助完成。在此一并致谢。 173
一 一 一 二」一一 一 一 － － 弓 口 尹 口 图 同 步检 波器 原 理 图 二二 。 目标 。 物 镜 组 ， 。 滤 光 片 。 反 射镜 ， 。 分 划 板 目镜 组 。 调 制盘 ， 徽 电 机 ， 窗 口 探 测器 致 冷 器 参 考光 源 ， 光 电 二 极 管 ， 图 小 目标 测 温 仪 整 机 示 意 图 四 、 仪 器 性 能 指 标 测温 范围 响应波段 温度分辨率 工 作距离 目标面 积 响应时 问 “ 。 环 。 又 五 、 磨削温度测试概况 试验在万能工 具磨 床及外圆磨床上进 行 。 为使测温仪能直接接 收磨 削 区 的辐射 ， 换用 了 特制的开槽砂轮 图 。 此外 ， 还做 了测磨削火花温度的 试验 图 ， 试图找 出 火 花 温度与磨削区温度 的关系 。 试验 结果 均符合 磨 削规律 图 。 与热 电偶 法比 较 ， 红外测 温法能 较好地反 映磨削温度的 瞬时 变化情况 。 详 情可参 看〔 〕 ， 进一步的研究正在进 行中 。 本仪器 的研制在 陈国勋 同志指导 帮助下进 行 ， 南 京工学院时 修荣 同志参加了 机械部分 的设计并组织了 磨 试验 。 仪器的机械加工 由南工切 削实验 空协助完成 。 在此一并致谢 。 飞 舀
槽 砂轮 ,开槽 砂轮 砂 轮 工件 红外测 浸 斜 日 工 红外测温仪 工件 火花 图5开槽砂轮及测温试验示意图 图6测摩削火花温度 波高(mm) 40 30 20 10 （mm》 (m/分) (转/分) 0.010.020.030.04t 0.51.01.方S纵 125n 波高(mm) 100 50r 80 40 30 60 30 20 40 20 10F 30 10 (mm) (m分) (转！分) 0.010.020.0 0,5 125# 开精砂轮测温分别改变摩削深度，纵向进给量S纵及工件转速，下方三个图为测火光温度的结果。 图7测试结果 参考文献 〔1)松井正己机械D研究27一2(1975)305 [2]J.E.Mayer,Jr M.C.Shaw Lubrlcation Englneerlng 1 (1975) [3]H.J.KosTkowskl R.D.Lee Temperature,Its Measurement and Control in Science and Industry v.3 part I (1962)449 [4]W.Helmann U.Mester Inst.Phys.Conf,Ser,No.26 (1975)219 174
斜 格 、 」 擂轮 红外测 仪泥 图 开 摘砂轮 及 侧 摄试 脸示 意 图 波高 才 厂 图 测 磨 火 花 沮 度 三二乏 卫，‘， 口月 曰 门 之扩 ’ 匕一一 · 乏少、 转了汾 ﹄卜 … 一了厂六乙六在篇飞 。 切 波 口盖 鳃 ’ 久 十卜， 、 加加 一一止布分八 朽川 ‘ 。 转 ，二 、 一一一忿尽 言、 开 槽砂 轮 侧退分 别 改变磨 削深 度， 纵 向进 给 纵 及 工 件 转 速。 ， 下 方三 个 图 为 侧火 光 温度 的结果 。 图 侧试结果 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 飞了 参 考 文 做 松井正 己 机械 。 研究 一 。 。 ， ， ， ·
C5 R.D.Hudson Jr,Infrared System Englneerlng (1969) 〔6〕国家计这总局标准光学高温计检定规程计量出版补(1980) [7)时修荣南京工学院学报1(1981)105 An Infrared Thermometer for Measuring the Temgerature of a Small Target Area Gu Tong Cai Jiamin Cheng Guoxun Abstract An apparatus was designed to measure the temperature of the grnding spot in a grinding process.The dimension of the target arca is about 0.4x0.6mm* Its measuring temperature range is from 600C to 1700C.Thus,this apparatus can be used for many other purposes. The principle and structure of this iafrared thermomcter were briefly stat- ed,The situations of it/s application in the grinding experiments were also mentioned. 175
〔 〕 〔 〕 〔 〕 。 、 ， · ， ， 。 。 级 国家 计 时修荣 硷总局 标 汀幼七学高温 计检定 规程 计 鼠 出版社 。 南 京工学院学报 。 ， · 一之 份 ， ， ， 吕 “ ， ， ‘ ， ，、 乓