雙色紅外測(cè)溫儀是一種應(yīng)用于鋼鐵冶金、玻璃制造、半導(dǎo)體加工等高溫工業(yè)領(lǐng)域的測(cè)溫儀器，它通過測(cè)量目標(biāo)在兩個(gè)不同紅外波段的輻射強(qiáng)度比值來確定溫度，有效克服了單色測(cè)溫法中發(fā)射率未知或變化帶來的測(cè)量誤差。傳統(tǒng)單色紅外測(cè)溫儀假設(shè)目標(biāo)發(fā)射率為已知常數(shù)，但實(shí)際工況中發(fā)射率隨溫度、表面狀態(tài)、氧化層厚度等因素變化，導(dǎo)致顯著測(cè)量誤差。雙色紅外測(cè)溫儀（也稱比色測(cè)溫儀）利用兩個(gè)波段的輻射比值反推溫度，在發(fā)射率未知或動(dòng)態(tài)變化的場(chǎng)景中具有天然優(yōu)勢(shì)，而實(shí)現(xiàn)這一功能的核心元件正是高精度光學(xué)濾光片。

（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

一、雙色紅外測(cè)溫儀工作原理

1 基本測(cè)量原理

根據(jù)普朗克黑體輻射定律，任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)向外輻射電磁波。對(duì)于實(shí)際物體，其光譜輻射出射度為：

其中ε(λ,T) 為光譜發(fā)射率，λ為波長(zhǎng)，T 為熱力學(xué)溫度。

雙色測(cè)溫儀同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)窄帶波長(zhǎng) λ1和 λ2上的輻射信號(hào) S1和 S2，計(jì)算其比值 R：

當(dāng)兩個(gè)波長(zhǎng)足夠接近時(shí)，可近似認(rèn)為 ε(λ1,T)≈ε(λ2,T)，此時(shí)比值 R僅與溫度相關(guān)，消除了發(fā)射率的影響。實(shí)際工程中常用1.3μm和1.6μm或1.0μm和1.6μm等波段組合，這兩個(gè)波段在大氣窗口內(nèi)且對(duì)常見工業(yè)材料的發(fā)射率比值變化較小。

1.2 雙色法的優(yōu)勢(shì)與局限

雙色法的核心優(yōu)勢(shì)在于：

不受目標(biāo)發(fā)射率絕對(duì)值變化的影響

對(duì)光路中的煙塵、水汽部分透過性衰減不敏感

可測(cè)量視場(chǎng)未完全充滿的目標(biāo)

但雙色法要求兩個(gè)波段的發(fā)射率比值保持穩(wěn)定，對(duì)于發(fā)射率隨波長(zhǎng)劇烈變化的材料（如某些金屬在吸收帶邊緣）仍存在誤差。

（BP1600帶通濾光片）

二、光學(xué)濾光片在雙色測(cè)溫儀中的核心作用

2.1 帶通濾光片的功能需求

雙色測(cè)溫儀需要精確分離兩個(gè)紅外波段，這對(duì)濾光片提出了以下要求：

兩個(gè)濾光片的通帶必須有明確的光譜隔離，避免串?dāng)_。典型設(shè)計(jì)中，1.3μm濾光片的截止帶需覆蓋1.6μm附近，反之亦然，要求過渡帶陡峭。

2.2 濾光片制備技術(shù)

紅外帶通濾光片通常采用介質(zhì)薄膜干涉濾光技術(shù)，通過交替沉積高折射率（如Ge、Si）和低折射率（如SiO?、MgF?）材料形成法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)。對(duì)于1.3-1.6μm近紅外波段，常用的材料組合為Si/SiO?或Ge/ZnS。

制備工藝需注意：

膜層應(yīng)力匹配，防止高溫脫膜

離子輔助沉積提高膜層致密度

環(huán)境穩(wěn)定性測(cè)試（濕熱、鹽霧）

（臺(tái)階藍(lán)寶石窗口片）

三、耐高溫光學(xué)窗口設(shè)計(jì)

3.1 窗口材料的選取

測(cè)溫儀前端光學(xué)窗口需承受高溫、高壓及腐蝕性氣氛。常用窗口材料包括：

對(duì)于鋼鐵冶金等高溫應(yīng)用，藍(lán)寶石因其優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和耐溫性成為首選。

3.2 防污染設(shè)計(jì)

水汽和灰塵對(duì)紅外信號(hào)有強(qiáng)烈吸收和散射作用。工程上采取以下措施：

氣簾吹掃：在窗口前端形成正壓潔凈空氣流，阻止粉塵沉積

防塵鏡筒：采用長(zhǎng)徑比>5的窄孔結(jié)構(gòu)，減少污染物侵入

窗口加熱：將窗口溫度維持在露點(diǎn)以上，防止水汽凝結(jié)

可更換保護(hù)窗：在外側(cè)加裝廉價(jià)易換的防護(hù)片，定期更換

濾光片通常封裝在氣密腔體內(nèi)，避免直接暴露于惡劣環(huán)境。整個(gè)光路需采用IP65以上防護(hù)等級(jí)。

（聚焦透鏡）

四、系統(tǒng)集成與性能驗(yàn)證

4.1 光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)

典型的雙色測(cè)溫儀光學(xué)結(jié)構(gòu)如下：

目標(biāo)輻射 → 耐高溫窗口 → 準(zhǔn)直透鏡 → 分束器/分光鏡

                              ↓

[通道1] 1.3μm帶通濾光片 → 探測(cè)器1   

[通道2] 1.6μm帶通濾光片 → 探測(cè)器2

分光方式可采用：

平行光路：使用分束鏡將光束分成兩路，每路獨(dú)立濾光

時(shí)序分光：?jiǎn)翁綔y(cè)器配合濾光片輪，但實(shí)時(shí)性較差

二元光學(xué)元件：將不同波長(zhǎng)聚焦到不同探測(cè)器位置

（二向分光鏡）

4.2 標(biāo)定與測(cè)試

雙色測(cè)溫儀出廠前需進(jìn)行黑體標(biāo)定，建立比值-溫度曲線。由于兩個(gè)探測(cè)器的響應(yīng)度差異、濾光片透過率差異等因素，實(shí)際測(cè)量值需通過標(biāo)定修正。標(biāo)定過程中應(yīng)驗(yàn)證：

不同黑體溫度下的比值線性度

發(fā)射率變化時(shí)（通過改變黑體輻射角度模擬）的測(cè)量穩(wěn)定性

氣簾啟停、窗口輕微污染時(shí)的讀數(shù)一致性

4.3 典型應(yīng)用場(chǎng)景

光學(xué)濾光片是雙色紅外測(cè)溫儀實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量的核心元件。通過精確設(shè)計(jì)1.3μm和1.6μm帶通濾光片的光譜特性，配合耐高溫藍(lán)寶石窗口及氣簾吹掃等防污染措施，可有效抑制發(fā)射率變化、水汽和粉塵對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響，滿足嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境下的使用需求。

未來發(fā)展趨勢(shì)包括：

集成化：將濾光片與探測(cè)器單片集成，簡(jiǎn)化光路

可調(diào)諧濾光技術(shù)：通過MEMS或液晶可調(diào)濾光片實(shí)現(xiàn)波段自適應(yīng)選擇

智能化補(bǔ)償算法：結(jié)合濾光片透射譜的精確模型，對(duì)溫度漂移和老化進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償

新型薄膜材料：開發(fā)更高溫度穩(wěn)定性、更低應(yīng)力的紅外薄膜材料

濾光片技術(shù)的進(jìn)步將持續(xù)推動(dòng)雙色紅外測(cè)溫儀向更高精度、更寬適應(yīng)范圍的方向發(fā)展。