徐 锐，徐红琴，沈献绍，曹昆华，张宗林

（1.解放军驻黎阳机械公司军事代表室，贵州 平坝 561102；2.中航工业贵州航空发动机研究所，贵州 平坝 561102）

0 引 言

一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量，物体的红外辐射特性决定了其辐射能量的大小，波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度[1]。在辐射测温的温度范围内，最佳工作波长全部落在红外波段[2]，随着科学技术的不断发展，红外测温技术已广泛应用于各行业，红外测温仪的最佳设计和新发展为用户提供了各种功能和更多的用途，扩大了选择余地。高性能航空发动机研制对轮盘试验数据准确度的要求越来越高，传统的热电偶测温方法受信号传输方式所限，试验结果不能准确实时地反映试验情况[3]，考虑到非接触红外测温的诸多优点[4-7]，设计开发适用于航空发动机轮盘高转速试验的红外测温系统并应用于发动机轮盘超转试验，对轮盘温度进行非接触测量，可实现轮盘在高速旋转状态下的温度测量，提高试验数据的可靠性和可信度。

1 红外测温仪工作原理

图1 红外测温仪工作原理图

非接触红外测温的关键元件之一是红外辐射探测器，根据原理可以分为热探测器和光子探测器两大类[7-9]。虽然热探测器和光子探测器探测红外辐射强弱的原理不同，但由探测到的信号转化为被测对象温度所依据的基本原理一致。红外测温仪的工作原理如图1所示。被测物体S和参考源R产生的红外辐射，经圆盘调制器T调制后输至红外敏感检测器D，圆盘调制器由同步电动机M所带动。检测器D的输出电信号经放大器A和相敏整流器K至控制放大器C，控制参考源的辐射强度。当参考源和被测物体的辐射强度一致时，参考源的加热电流可代表被测温度，将电流转换成温度值，由显示器I显示出被测物体的温度值。

2 红外测温系统的设计开发

2.1 红外测温仪的选型

依据文献[3]论述，考虑涡轮盘及叶片的温度可达到900℃左右，而压气机盘温度在100℃以下的实际，选取测温仪的使用范围应在0～1 000℃之间。然而红外测温仪普遍做不到这么大的温区范围，故选取两台MetisMB35型和一台MetisMQ22型红外测温仪。

2.2 红外测温系统的安装调试

2.2.1 红外测温系统的安装

红外测温系统包括测温仪主机、安装支架、通信电缆、RS232/RS485 转换器、电阻（250 Ω）及 Sensor win软件。基于文献[3]的分析，本系统采用RS232/RS485转换器实现接口信号转换，通过Sensor win软件进行测量并设置发射率。利用电阻（250Ω）将红外测温仪0～20mA的模拟输出转换为0～5V的标准输出接入数据采集系统。测温仪及安装支架如图2所示。试验轮盘安装在一个密闭的真空箱体内，在加温状态下，真空箱内环境温度将达到300℃左右。将红外测温仪安装在真空箱盖外面（见图3），通过安装在真空箱盖上的BaF2玻璃来测量轮盘的温度，并在加温电炉上沿半径方向开一条20mm宽的槽以便红外探头能检测到被测物体上的红外能量。

图2 测温仪及安装支架（单位：mm）

图3 真空箱结构及测温仪安装示意图

2.2.2 红外测温系统的调试

在加温状态下对某轮盘同一点的温度用红外测温仪和热电偶同时进行测量，以热电偶测量结果校核红外测温仪的测量结果。通过调整发射率，使两种测温方式的温度值相近，并对测量结果进行了比较，见表1。

表1 调试中红外测温仪与热电偶测量结果比较

3 红外测温系统测量准确度分析

3.1 影响红外测温准确度的因素

发射率、距离系数和视场是影响红外测温测量准确度最重要的因素。仪器选型后，距离系数和视场确定，正确设置发射率保证测量准确度。测温时，仪器应与被测表面垂直，在任何情况下，法线夹角不大于30°，否则将影响测量准确度。油雾大、观测窗和仪器的镜头不清洁、电炉辐射能量的反射等环境因素对测量准确度也有影响。

3.2 影响物体发射率的因素

材料的发射率与其温度、表面粗糙度、表面处理方法等都有关系[10]，即：物体温度的变化会使发射率发生变化；测量物体发射率时，表面的几何形状以平面为最佳，凸面的发射率会降低，凹面的发射率会提高；针对较薄的物体（几微米到十几微米），透射率高则发射率低，对厚的物体无影响；表面越光滑的物体发射率越低，表面越粗糙的物体发射率越高，氧化、喷沙的表面发射率会提高；在不同波段下的发射率是不同的，但仪器型号选定后，波长范围就是确定的。

3.3 发射率的确定方法

发射率对表面温度测量有很大影响，在红外温度测量中要进行确定[7]。目前有3种确定方法：（1）首先用热电偶或其他方法测量出物体的真实温度，然后用红外测温仪进行测量，调整发射率，直到两种测温方式的温度值相近，这个发射率值就是物体的发射率。（2）对温度不太高的物体（260℃以下），可以在被测物体表面贴上一块发射率已知的纸片或其它薄片，在温度达到平衡状态时，用测温仪分别测量未覆盖和覆盖部分的温度，调整测温仪的发射率，使测得的温度相近，便可得出被测物的发射率。这种方法也可通过在被测物体表面涂上发射率已知的油漆来实现。（3）对温度较高的物体（260℃以上），除用第一种方法外，还可以在被测物表面钻一空腔。空腔的深度与口径之比应为6∶1，可以认为该空腔的发射率近似于黑体。用红外测温仪分别测量空腔和旁边的温度，调整测温仪的发射率，使测得的温度相近，便可得出被测物的发射率。依据轮盘试验实际只能选用第（1）种方法进行确定。确定时，对同一点的温度用红外测温仪和热电偶同时进行测量，调整发射率，直到两种测温方式的温度值相近，这个发射率值就是物体的发射率。

图4 试验器结构及测试原理示意图

表2 发射率测量结果

4 试验研究

试验设备为国内某航空发动机轮盘超转试验器，其结构及测试原理示意图见图4。

4.1 静止状态下确定试件发射率

选取电偶丝直径为φ0.5mm的K型高温热电偶线，采用分立接触方式将热电偶焊接在轮盘及叶片上进行测温，温度信号直接或通过滑环引电器进入微机数据采集系统，同时用红外测温仪对电偶所测的相应位置进行测温。用加温电炉对试验件进行加温，将各试验件的温度加到试验研究规定的温度范围内，在静止状态下调整测温仪的发射率，使红外测温仪所测温度与电偶所测温度相近（±3℃以内），这个发射率值就是试件的发射率。某机高压涡轮盘和低压涡轮盘的轮缘、轮心和叶身根部静止状态下发射率的确定结果如表2所示。

表3 对比测量结果

4.2 对比测量试验

采用上述方法，针对另一发动机试件，用静止状态下确定的发射率对旋转状态下的温度进行了对比测量，对比测量结果见表3。

可以看出用静止状态下确定的发射率和坡度值对旋转状态下的温度进行对比测量，热电偶与红外测温仪所测取的温度值是相近的（±3℃以内）。由此，试验件在静止和旋转状态下的发射率相同，静止状态下确定的发射率可用于旋转状态下的温度测量。

5 结束语

影响测量准确度最重要的因素是发射率，试验件在静止和旋转状态下发射率相同。根据试验件的情况和试验温度范围，只能用热电偶对发射率进行确定，静止状态下确定的发射率可用于旋转状态下的温度测量。用热电偶现场确定发射率的方法可以修正环境因素带来的影响，提高非接触红外测温装置红外温度测量的准确度。结合实际开发的非接触红外测温装置的对试件温度的测量准确度较高，一定程度上提高了发动机研制过程中转动部件试验工作的效率，在国内航空发动机设计开发和工程试验领域处于先进水平，该系统可用于航空发动机轮盘试验过程中的温度测量。

[1]李敏，张蓬鹤，孔凡胜，等.非接触式高准确度红外测温终端的设计[J].自动化与仪器仪表，2011（3）：111-114.

[2]贾力，方肇洪，钱兴华.高等传热学[M].北京：高等教育出版社，2003：218-237.

[3]徐红琴.红外测温技术应用在轮盘旋转试验中的设计与研发[D].西安：西北工业大学，2009.

[4]韩书新.红外测温技术在烧结成品监控系统中的应用[J].中国测试技术，2008，34（1）：138-140.

[5]Char J M，YEH J H.The measurement of open propane flame temperature using infrared technique[J].Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer，1996，56（1）：133-144.

[6]王玲生.热工检测仪表[M].北京：冶金工业出版社，1994：46-61.

[7]李军，刘梅冬，曾亦可，等.非接触式红外测温的研究[J].压电与声光，2001，23（3）：202-205.

[8]克利克苏诺夫.红外技术原理手册[M].俞福堂，孙星南译.北京：国防工业出版社，1986：274-324.

[9]郑子伟.红外测温仪概述[J].计量与测试技术，2006，33（10）：22-23.

[10]孙志远，李清安，乔彦峰，等.提高红外测温系统测温准确度的研究[J].仪器仪表学报，2006，27（6）：67-69.