Исследование цветовым пирометром динамики температуры мрамора и гранита при воздействии мощным лазерным излучением

УДК 535.36

В.И. Букатый, В.О. Перфильев, Н.Н. Шараухов Исследование цветовым пирометром динамики температуры мрамора и гранита при воздействии мощным лазерным излучением

В настоящее время большой интерес вызывает воздействие мощного лазерного излучения (МЛИ) на горные породы, такие, как гранит и ирамор. Этот выбор сделан в силу нескольких причин. Во-первых, они широко используются в народном хозяйстве в качестве декоративных материалов, во-вторых, встречаются практически на всей территории Российской Федерации,

; в-третьих, перспективы применения лазерных источников для их обработки подталкивают к поиску новых технологий. Одним из наиболее важных параметров при лазерной обработке материалов является температура в зоне воздействия лазерного излучения. Целью данной работы является экспериментальное исследование динамики температуры гранита и мрамора при воздействии на них МЛИ. Для измерения температуры, если нет непосредственного контакта между средой и средством измерения, можно использовать тепловое излучение, так как известно, что различные свойства (параметры теплового излучения нагретых тел) зависят от их температуры [1, 2]. Для решения поставленной задачи необходим невозмущающий метод измерения температуры материала, способный регистрировать высокотемпературные и быстропротекающие процессы с высокой точностью при минимальном времени регистрации. Методом, удовлетворяющим данным условиям, является цветовой метод или метод спектрального отношения [3]. Данный метод предполагает измерение интенсивности световых потоков излучающего объекта на двух длинах волн. Данным условиям удовлетворяет созданный нами автоматизированный цветовой пирометр, работающий в ИК - области. В экспериментальной установке, описание которой приводится ниже, в качестве фотоприёмников использовались фотодиоды типа ФД-203 с интерференционными светофильтрами. Связь светового потока с температурой выражается законом Планка, который может быть заменён законом Вина для того, чтобы упростить расчеты и не нанести ущерб точности в указанном диапазоне температур. Согласно закону Вина, световой поток, попадающий в апертуру фотоприёмника от излучающего объекта, равен

ф = 7Г(Я)Р(Я)ехР(-^/т),ШД[

о Я5

где Ф - световой поток, Б - функция пропускания светофильтров, а - степень черноты излучающего тела, Я - длина волны, с — скорость света, Ь - постоянная Планка, к - постоянная Больцмана, О - угловая апертура фотоприёмника, А - постоянный безразмерный коэффициент, Т - температура. Отклик фотодиода на поступающие на него световые сигналы при работе в линейном режиме может быть записан формулой

У = В(Л,и)Ф (2),

где ВЦ,и) -коэффициент пропорциональности между откликами фотодиода и падающим на него световым потоком, зависящий от типа фотодиода, его спектральной характеристики и напряжения питания и. Таким образом, формула (2) примет вид

г =

о ^

Функция £>(Я) при применении интерференционных светофильтров отлична от нуля в небольшом интервале длин волн, поэтому в подынтегральном выражении можно вынести за знак интеграла функцию ехр(-йс/ кТЛ)  Я 5, в которой вместо аргумента Я следует подставить значение, соответствующее максимальному пропусканию светофильтра. Коэффициенты а(Х) и В(Х,и) можно считать практически постоянными в пределах полосы пропускания интерференционных светофильтров. С учетом сделанных замечаний, формула (3) может быть представлена в виде

где О (Я) = |П)(А)<1А . Измеряя два сигнала и взяв О

их отношение, получаем рабочую формулу для определения температуры:

V = В

00

Принцип работы установки следующий. Световой поток от нагретого тела попадает на диафрагму 1, представленную в виде конуса с входным отверстием размером, равным диаметрам фотодиодов. Расходящийся световой пучок линзой 2 преобразуется в параллельный, и, проходя через стеклянный светофильтр 3 марки ФС-6, попадает на ограничивающую диафрагму 4, которая направляет поток на интерференционный светофильтр 5, расположенный под углом 35° к направлению падения светового пучка. На светофильтре поток излучения раздваивается на два, один из которых, проходя через него, попадает на линзу 13 и фокусируется на фотоприемнике 12. Второй поток, отражаясь от поверхности светофильтра, попадает на зеркало 14, затем на 15 и, отражаясь, вновь попадает на светофильтр, но уже под углом 90“ к поверхности. Поток, проходя через интерференционный светофильтр и отражаясь от зеркала б, фокусируется линзой 7 на фотоприемнике 8. Сигналы с фотодиодов подаются на предусилители, где усиленные в каждом канале, попадают на логарифмический усилитель и сумматор 9. Данные через блок сбора, ввода и вывода 10 поступают на компьютер 11, где записываются в файл и могут впоследствии обрабатываться с помощью программ GRAPHER, ORIGIN и др. Данный пирометр подключается к блоку сбора, ввода и вывода информации в ПЭВМ и представляет собой функционально законченную конструкцию. Основные технические характеристики: диапазон измеряемых температур - 1500-4000К; временное разрешение - 50 мкс; разрядность АЦП канала - 10; тип интерфейса - Centronics; режим синхронизации - ручной, внешний, от ПЭВМ. Описанная экспериментальная установка требует предварительной градуировки. Для проведения градуировки вместо исследуемого объекта (кусочка гранита или мрамора) устанавливается эталонная лампа накаливания с вольфрамовой нитью, которая градуировалась с помощью промышленного яркостного пирометра типа «Проминь» [5]. Спектральная зависимость степени черноты вольфрама (селективно излучающего тела) [3] в видимой области спектра позволяет использовать его в качестве градуировочного

, С{ХЬТ)

тела, поскольку величина In-------мала, что и

' С

приводит к небольшой ошибке ДТ = 14К. [6]. Для перевода яркостной температуры вольфрама в цветовую использовались данные [7]. Источниками погрешности прибора являются линейная аппроксимация градуировочной прямой в область высоких температур и замена реальной

функции пропускания светофильтров на 8(ХМ, X), где Хм — длина волны в максимуме пропускания светофильтра. Согласно закону Вина, в связи с тем, что световой поток с увеличением длины волны растет по экспоненте, подобраны интерференционные светофильтры с быстро спадающим крылом пропускания. Измерительная головка комплекса после градуировки по отградуированной лампе с использованием пирометра «Проминь», имела относительную погрешность 2,5%. Погрешность блока сбора и обработки представляет собой совокупность погрешностей, вносимых всеми элементами схем, и составила порядка 1,5%. Погрешность, вызванную тепловым смещением нуля компонентов устройства, можно не учитывать, так как оно предназначено для использования в лабораторных условиях при средней температуре 20°С и интервале изменения температуры не более 8°С. Автоматизированная система входила в экспериментальный комплекс по исследованию динамики температуры гранита и мрамора в поле лазерного излучения. В ходе проведения экспериментов была получена серия зависимостей температуры от времени воздействия под действием непрерывного лазерного излучения СО,-лазера с длиной волны 10,6мкм и интенсивностью порядка 105 Вт/смг. Характер зависимости изменения температуры от времени был практически одинаков для всех проведенных экспериментов. Одна из характерных температурных зависимостей приведена на рисунке 2.

т,к

0 1 2 3 4 5

Рис. 2. Динамика температуры красного гранита в поле лазерного излучения