激光輻照下紅外測(cè)溫的誤差補(bǔ)償方法研究

蘇成志，晏 春，王 菲，張承雙，包艷玲，阮英波

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 人工智能研究院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130022；3.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；4.西安航天復(fù)合材料研究所，陜西 西安 710000)

引言

碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、低密度以及良好的熱力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)、軍事、航空航天等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。將復(fù)合材料成型為構(gòu)件是復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵，尤其是激光原位成型技術(shù)以其效率高、不受場(chǎng)地及構(gòu)件尺寸限制等優(yōu)點(diǎn)，正在為復(fù)合材料的應(yīng)用帶來(lái)新的技術(shù)變革[4-6]。碳纖維復(fù)合材料激光原位成型過(guò)程中，為了提高成型質(zhì)量，應(yīng)精確控制加熱點(diǎn)溫度。目前對(duì)溫度的測(cè)量較為常用的測(cè)量方式有紅外測(cè)溫[7]和熱敏電阻兩種方式，采用紅外測(cè)溫儀可實(shí)現(xiàn)成型過(guò)程非接觸在線測(cè)溫。然而，紅外測(cè)溫易受發(fā)射率、環(huán)境溫度、測(cè)量距離、測(cè)量角度以及干擾等外界因素的影響[8-9]，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱點(diǎn)溫度的精確測(cè)量,影響成型質(zhì)量。所以，對(duì)紅外測(cè)溫誤差補(bǔ)償是實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱點(diǎn)溫度精確測(cè)量的有效手段，對(duì)實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的高質(zhì)量成型具有重要意義。

針對(duì)紅外測(cè)溫誤差補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，Hijazi A等[10]研究了在雙波長(zhǎng)紅外測(cè)溫中由于發(fā)射率的影響出現(xiàn)的測(cè)量誤差，并利用NGCF進(jìn)行補(bǔ)償提高了測(cè)溫精度；Wang Y H[11]、石東平[12]分別針對(duì)環(huán)境溫度對(duì)紅外測(cè)溫的影響，建立了基于環(huán)境溫度的補(bǔ)償模型，提高了紅外測(cè)溫儀的測(cè)量精度；王超群[13]研究了紅外測(cè)溫中測(cè)量距離超出紅外測(cè)溫儀的有效范圍時(shí)，紅外測(cè)溫儀視場(chǎng)超出目標(biāo)的紅外測(cè)溫誤差修正方法；Wei S[14]等研究了測(cè)量角度對(duì)紅外測(cè)溫的影響及其誤差補(bǔ)償模型。上述研究中，均是基于發(fā)射率、環(huán)境溫度、測(cè)量距離、測(cè)量角度等單一變量對(duì)紅外測(cè)溫誤差補(bǔ)償進(jìn)行研究，在一定程度上提高了紅外測(cè)溫儀的測(cè)量精度。

本文介紹了激光輻照下加熱點(diǎn)處紅外測(cè)溫精度的研究，提出一種測(cè)量距離與測(cè)量角度的二元線性多變量綜合誤差溫度補(bǔ)償模型，提高紅外測(cè)溫精度，為碳纖維復(fù)合材料的高質(zhì)量成型提供單元技術(shù)支撐。

1 紅外測(cè)溫原理

紅外測(cè)溫儀接收紅外輻射的多少會(huì)直接影響紅外測(cè)溫的精度，在激光輻照下，除了測(cè)量距離、測(cè)量角度會(huì)對(duì)紅外測(cè)溫儀測(cè)量結(jié)果有影響外，紅外測(cè)溫儀接收到的物體反射的激光也會(huì)對(duì)測(cè)溫結(jié)果有影響。紅外測(cè)溫原理圖如圖1所示。

圖1 紅外測(cè)溫原理圖Fig.1 Schematic diagram for infrared radiation

紅外測(cè)溫儀接收的波長(zhǎng)λ的輻射功率Pλ為

Pλ=ARA0d-2[τa(εLλ(T0)+(1-α)Lλ(Tu))+

εaLλ(Ta)]+(k-1)ARA0d-2{τa(ε1Lλ(T1)+

(1-α1)Lλ(Tu)+εaLλ(Ta))}

(1)

(1)式中，AR、A0紅外測(cè)溫器的入射透鏡的面積、為紅外測(cè)溫器最小空間張角所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)的可視面積；d為測(cè)量距離；T0、Tu、Ta為被測(cè)目標(biāo)體的表面溫度、環(huán)境溫度、大氣溫度；ε、εa為物體表面的發(fā)射率、大氣發(fā)射率；τa為大氣的光譜透射率；α為物體表面的吸收率。

令k=A/A0；A=π(D/2S·d)2，S/D是紅外測(cè)溫儀的距離系數(shù)；AARd-2=Km；Pλ/Km=Lλ(Tr)。由(1)式可以得出：

(1-α1)Lλ(Tu))+εaLλ(Ta)}

(2)

根據(jù)普朗克輻射定律及斯特藩-玻爾茲曼定律，(2)式可以變?yōu)?/p>

(3)

其中：Tr為測(cè)溫儀直接測(cè)量所得的全視場(chǎng)范圍內(nèi)的溫度；m與被測(cè)物輻射波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)。

對(duì)于測(cè)量距離d在300 mm～350 mm范圍變化的短距離測(cè)量，大氣透過(guò)率對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略。碳纖維復(fù)合材料原位成型中，為了保證較好的成型質(zhì)量，復(fù)合材料表面樹脂最佳粘結(jié)溫度為400±10℃(即誤差±2.5%)，該溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，所以環(huán)境溫度對(duì)于測(cè)溫影響可以忽略。則(3)式可以變?yōu)?/p>

(4)

根據(jù)(4)式，當(dāng)S/D=150∶1、被測(cè)目標(biāo)直徑為2 mm、測(cè)量點(diǎn)溫度為400℃、測(cè)量距離d在300 mm～400 mm范圍變化時(shí)，測(cè)量距離-測(cè)量溫度理論曲線如圖2所示。

圖2 測(cè)量距離-測(cè)量溫度理論曲線Fig.2 Theoretical curve for measuring distancemeasuring temperature

由圖2可見(jiàn)，測(cè)量距離d對(duì)紅外測(cè)溫有直接影響，d在300 mm～400 mm時(shí)，隨著測(cè)量距離的增大，測(cè)量溫度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，且測(cè)量距離與測(cè)量溫度近似為線性關(guān)系，即測(cè)量距離越大測(cè)量溫度越低，測(cè)溫誤差也越大。

如圖1所示，在測(cè)溫過(guò)程中，由于條件限制，紅外測(cè)溫儀往往不能安裝在最佳位置，導(dǎo)致紅外測(cè)溫儀視場(chǎng)與輻射法線方向形成夾角θ，不能完全吸收紅外輻射，從而對(duì)測(cè)溫產(chǎn)生影響。

物體輻射能量時(shí)，與理想黑體輻射之間的關(guān)系可以表示為

M=ε(T,λ)·Mbb(T,λ)

(5)

其中:M是物體的實(shí)際輻射；ε(T,λ)是物體的實(shí)際發(fā)射率；Mbb(T,λ)是理想黑體輻射定律；結(jié)合斯特藩-玻爾茲曼定律，則有：

M=ε(T,λ)·εT4

(6)

假設(shè)測(cè)量角度對(duì)紅外測(cè)溫儀接收到的輻射有一定的影響，則紅外輻射與測(cè)量角度之間的關(guān)系為

M(θ)=m(θ)·ε(T,λ)·εT4

(7)

取ε(T,λ)為常數(shù)，紅外測(cè)溫儀接收到的紅外輻射，可以用測(cè)量溫度直觀表示出來(lái)，則有：

Tr=m(θ)·T0

(8)

其中，一般θ<30°為宜，m(θ)隨θ的增大而減小，且0

當(dāng)激光束投射到物體表面上時(shí)，部分被物體吸收，部分被反射，其余則透過(guò)物體。被物體反射的激光將被紅外測(cè)溫儀接收，即物體反射的激光會(huì)影響紅外測(cè)溫儀測(cè)量精度。

2 實(shí)驗(yàn)方案

為了研究反射激光、測(cè)量距離、測(cè)量角度對(duì)紅外測(cè)溫的影響，設(shè)計(jì)了如圖3所示的實(shí)驗(yàn)方案。

圖3 紅外測(cè)溫實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.3 Infrared thermometry experimental schematic diagram

如圖3中，α為紅外測(cè)溫儀與二維平移機(jī)構(gòu)豎直方向夾角，θ為紅外測(cè)溫儀與被加熱材料測(cè)量點(diǎn)法線之間夾角，即測(cè)量角度，且θ=90°-α，d為測(cè)量距離。在碳纖維復(fù)合材料激光輻照時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和紅外測(cè)溫儀同步采集加熱點(diǎn)溫度，并以標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量溫度作為標(biāo)準(zhǔn)溫度。通過(guò)角度調(diào)節(jié)裝置、水平位置調(diào)節(jié)裝置、豎直方向調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量距離d與測(cè)量角度θ的調(diào)節(jié)，完成不同實(shí)驗(yàn)條件下加熱點(diǎn)溫度的紅外測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)中激光波長(zhǎng)為976 nm，本實(shí)驗(yàn)中選擇的復(fù)合材料對(duì)該波長(zhǎng)的激光吸收最好，紅外測(cè)溫儀的型號(hào)為IR-CD0208A,測(cè)溫范圍200℃～800℃，輸出信號(hào)是4 mA～20 mA的電流信號(hào)，中心光譜為1.6 μm，發(fā)射率ε=0.8，距離系數(shù)S/D=150∶1，最佳測(cè)量距離為300 mm,最小測(cè)量直徑為2 mm。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 激光反射對(duì)測(cè)量溫度的影響

在激光輻照加熱時(shí)，有部分激光被碳纖維復(fù)合材料反射進(jìn)入紅外測(cè)溫儀，對(duì)測(cè)溫造成干擾，從而導(dǎo)致紅外測(cè)溫出現(xiàn)測(cè)量值與真實(shí)值的極大偏差。為了消除反射激光對(duì)測(cè)溫的干擾，在紅外測(cè)溫儀前端安裝了一個(gè)濾光片，濾光片透射光譜如圖4所示。從圖4中可以看出，在500 nm～1 200 nm波段無(wú)法通過(guò)濾光片。在測(cè)量距離d=300 mm、不同溫度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，反射激光抑制前后結(jié)果如圖5所示。

圖4 濾光片透射光譜圖Fig.4 Transmission spectra of filters

圖5 反射激光抑制前后測(cè)溫與誤差 Fig.5 Temperature measurement and error before and after reflection laser suppression

從圖5(a)和圖5(b)可以看出，在未加濾光片時(shí)，由于反射激光進(jìn)入紅外測(cè)溫儀，導(dǎo)致測(cè)量溫度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)溫度，測(cè)量的誤差高于300℃，大大降低了測(cè)量值的可信度。利用濾光片對(duì)反射激光進(jìn)行抑制后，測(cè)量溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度接近，測(cè)量誤差為0℃～5℃，此時(shí)反射激光對(duì)測(cè)溫的產(chǎn)生的干擾可以忽略。

3.2 單變量對(duì)測(cè)量溫度的影響

3.2.1 測(cè)量距離對(duì)測(cè)量溫度的影響

通過(guò)在紅外測(cè)溫儀的接收器前置入濾光片抑制反射激光干擾，及測(cè)量角度θ為0°時(shí)，調(diào)節(jié)二維平移臺(tái)豎直方向位置調(diào)節(jié)裝置，對(duì)d=300 mm開始,每隔10 mm分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溫度T為395℃、400℃、405℃的加熱點(diǎn)進(jìn)行紅外溫度采集，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同測(cè)量距離度不同溫度下測(cè)溫結(jié)果與誤差Fig.6 Temperature measurement and error at different distances and temperatures

由圖6(a)可以看出，d在300 mm～350 mm范圍變化時(shí)，隨著測(cè)量距離的增加，所測(cè)溫度曲線近似線性下降。這是因?yàn)殡S著測(cè)量距離增大，紅外測(cè)溫儀的視場(chǎng)超出加熱點(diǎn)范圍，視場(chǎng)中的背景環(huán)境溫度對(duì)測(cè)溫產(chǎn)生影響，使得測(cè)量溫度降低。圖6(b)中，測(cè)量距離增大時(shí)，測(cè)量誤差呈線性不斷增大，最大誤差可達(dá)到-30%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出測(cè)量允許誤差ΔT(-2.5%～2.5%)的范圍，對(duì)成型質(zhì)量影響很大?？梢?jiàn)加熱點(diǎn)溫度紅外測(cè)量過(guò)程中，距離對(duì)測(cè)溫精度的影響不可忽略。

3.2.2 測(cè)量角度對(duì)測(cè)量溫度的影響

在保證距離d=300 mm不變前提下，通過(guò)角度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)α，使測(cè)量角度θ在0°～30°范圍。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溫度T分別為395℃、400℃、405℃的加熱點(diǎn)進(jìn)行溫度采集，結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)可知，在測(cè)量距離d=300 mm、θ為0°～30°范圍，隨著θ的增加，紅外測(cè)溫儀與輻射法向的夾角越大，進(jìn)入紅外測(cè)溫儀的紅外輻射越少，測(cè)量溫度越低，與標(biāo)準(zhǔn)溫度相比呈下降趨勢(shì)，但是與d(300 mm～350 mm)變化引起測(cè)溫值的變化相比，測(cè)量角度θ(0°～30°)變化引起測(cè)溫值變化不大。由圖7(b)可以看出，θ增大時(shí)，測(cè)量誤差不斷增大，最大誤差ΔT可達(dá)到-3.5%，也超出測(cè)溫允許誤差范圍(-2.5%～2.5%),影響成型質(zhì)量?？梢?jiàn)測(cè)量角度對(duì)紅外測(cè)溫精度也有影響，角度對(duì)測(cè)溫的影響及補(bǔ)償方式的研究有著實(shí)踐意義。

圖7 不同角度不同溫度下測(cè)溫結(jié)果與誤差Fig.7 Temperature measurement and error at different angles and temperatures

3.3 測(cè)量距離與測(cè)量角度正交變化對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響

由以上分析可知，測(cè)量距離、測(cè)量角度對(duì)紅外測(cè)溫精度的影響不可忽略。在加熱點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)溫度為400℃時(shí)進(jìn)行測(cè)量距離d與測(cè)量角度θ的正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

由圖8(a)可以看出，隨著d與測(cè)量角度θ的增大，測(cè)量溫度總體呈線性趨勢(shì)急劇下降。在同一測(cè)量距離d、不同測(cè)量角度θ時(shí)，溫度測(cè)量值變化較為緩慢，同一測(cè)量角度θ不同測(cè)量距離d時(shí)，溫度測(cè)量量值劇烈變化。由圖8(b)可以看出，測(cè)量距離d與測(cè)量角度θ增大時(shí)，測(cè)量誤差不斷增大，ΔT最大在-35%左右，誤差比測(cè)量距離d或測(cè)量角度θ單獨(dú)作用時(shí)都要大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出測(cè)溫允許誤差范圍(-2.5%～2.5%)。所以建立基于測(cè)量距離與測(cè)量角度的誤差補(bǔ)償模型，提高紅外測(cè)溫精度，將測(cè)溫誤差降低至成型精度要求范圍內(nèi)是非常有必要的。

圖8 400℃角度與距離正交時(shí)溫度與誤差Fig.8 Temperature and error when angle and distance are orthogonal at 400℃

3.4 紅外測(cè)溫多變量補(bǔ)償研究

溫度補(bǔ)償模型多元線性回歸的模型為[15]

Y=β0+β1x1+β2x2+β3x3+ε

(9)

其中：β0、β1、β2、β3是4個(gè)待估計(jì)的參數(shù)；x1、x2、x3是3個(gè)可以精確測(cè)量或控制的一般變量；ε服從正態(tài)分布。在本研究中，x1、x2、x3分別是測(cè)量距離、測(cè)量角度、測(cè)量溫度，Y表示經(jīng)過(guò)補(bǔ)償輸出的溫度值。在測(cè)量距離d和測(cè)量角度θ的取值范圍內(nèi)，取不同的測(cè)量距離d值與θ值測(cè)量的溫度值對(duì)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行處理，得到多元線性回歸的模型為

Y=-670.5+2.3x1+0.5x2+0.95x3

(10)

為了驗(yàn)證多元回歸方程的準(zhǔn)確性，進(jìn)行正逆行程的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示。

從圖9(a)與圖9(b)中可以看出，加熱點(diǎn)溫度為400°，正逆行程測(cè)溫誤差ΔT范圍是±1.25%，在允許測(cè)溫誤差范圍(-2.5%～2.5%)內(nèi)?？梢?jiàn)測(cè)量距離d與測(cè)量角度θ共同影響測(cè)溫精度時(shí)，通過(guò)補(bǔ)償模型紅外測(cè)溫儀可以實(shí)現(xiàn)加熱點(diǎn)溫度的較高精度的測(cè)量。從圖9(c)可以看出補(bǔ)償模型的回程誤差不明顯，具有良好的線性度和可逆性，與補(bǔ)償之前相比測(cè)溫精度提高64.25%，補(bǔ)償后的紅外測(cè)溫儀精度可以滿足激光輻照下加熱點(diǎn)溫度的測(cè)量要求。

圖9 基于補(bǔ)償模型的測(cè)溫及誤差Fig.9 Temperature measurement and error based on compensation model

4 結(jié)論

本文針對(duì)激光輻照下碳纖維預(yù)浸帶加熱點(diǎn)紅外測(cè)溫精度問(wèn)題，開展了反射激光、測(cè)量距離、測(cè)量角度對(duì)測(cè)溫精度影響的研究。得出以下結(jié)論。

1) 反射激光、測(cè)量距離、測(cè)量角度影響加熱點(diǎn)溫度紅外測(cè)量結(jié)果。抑制反射激光對(duì)測(cè)溫的干擾后，通過(guò)單變量以及正交測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，得出：測(cè)量距離對(duì)紅外測(cè)溫影響最大，測(cè)量角度對(duì)紅外測(cè)溫影響較小。

2) 在加熱溫度為400℃時(shí)、測(cè)量距離d為300 mm～350 mm和測(cè)量角度 為0°～30°范圍內(nèi)，補(bǔ)償后紅外測(cè)溫儀的測(cè)量誤差為±1.25%，與補(bǔ)償之前相比測(cè)溫精度提高64.25%，驗(yàn)證了補(bǔ)償模型的正確性，滿足加熱點(diǎn)紅外測(cè)溫精度要求。