CN1008401B - 校正反射辐射量的光学高温计 - Google Patents

Abstract

校正反射辐射量的光学高温计，包括一个用来接收从喷气发动机涡轮叶片发出的目标光束的光导，该目标光束被导入检测器组件并被分为二束光，其一束光的光谱宽度选得比目标光束光谱宽度小，一个数字信号处理器接收来自检测器组件的表示两束光能量的信号，由此直接计算反射校正能量信号，并输出正确的目标温度信号。

Description

本发明涉及光学高温计，特别是涉及具有能量信号差分处理的双光谱光学高温计。

光学高温计在测量技术中是众所周知的，它在恶劣的环境中或在不能使用常规的接触式高温测量技术的温度下已经得到了广泛的应用。这种装置是根据从目标发出的辐射能量来计算出其温度的。它通过测量给定波长范围内的总辐射量或观察作为波长函数的光能分布，再采用一种计算方法来确定表面的温度。光源的温度越高，较短波长的光能所占的比例就越大。

光学高温计已被开发来测量涡轮叶片表面的温度，甚至是其环境必须是燃烧火球的正在运行中的喷气发动机内的温度。为了精确测量涡轮叶片的温度，光学高温计必须具有校正测量结果的能力，以消除混杂在涡轮叶片发出的辐射中并使其变得模糊不清的燃烧火焰的反射辐射所带来的影响。

为了区分所接收到的来自目标涡轮叶片的反射辐射和发射辐射，并对由反射辐射引入的观测温度的误差进行补偿，已研制出双光谱区光学高温计。Gebhart等人在美国专利No.4222663中公开了一种双波带（两种颜色）光学高温计，它包括两台分开的高温计。每台高温计观测涡轮叶片所发出的光或辐射的全部光谱范围内的一个不同的但有重叠的分量。

两台高温计对不同的波段敏感，并且随涡轮叶片表面所发出能量的影响而不同。当从火球发出的光（辐射）被叶片反射时，用来检测较短 波段的高温计更易响应这种附加的反射能量，它的输出信号比接收较长波长的高温计以更大的比例增加。因此，所射辐射量的增减，或在高反射的条件下燃烧火焰温度的增减将使较短波段的高温计所指示的温度成比例地升高或降低。

对于每一台高温计，采用一种计算方法根据接收到的光，算出涡轮叶片的温度。这个过程需要将接收功率与温度的关系线性化，所以不但复杂而且降低了系统的瞬态响应特性。该线性化的温度信号表示了涡轮叶片的等效黑体温度。然而热得多的燃烧火焰的反射能量将使两台高温计各自得到不同的温度值，两者都高于叶片实际温度。附加的温度校正方法接收每个通道的温度并确定误差的大小。温度校正信号是由各自的光谱范围而决定的两个高温计温度之差、火球等效黑体温度以及每台高温计信号中存在的反射辐射比例的函数。温度校正信号的计算是一项艰巨而十分细微的工作过程，这使双光谱光学高温计的应用局限于地面进行的检测中。

本发明的目的是提供一种用来测量远距目标温度的、具有能量信号差分处理的校正反射辐射量的光学高温计。

按照本发明，校正反射辐射量的光学高温计包括一个光导，用来接收来自目标的具有某一光谱宽度、并包含从目标发出的发射组分及从具有等效温度的火球发出的反射组分的光束;一个检测器组件，接收目标光束并将其分为经滤光片滤光的第一光束和未经滤光的第二光束，并输出其相应的第一和第二信号。所述第二光束的光谱宽度选择为目标光束光谱宽度的一部分。高温计还包括一个信号处理器，用来接收所述第一和第二信号以及代表这两信号之比值的能量比信号。信号处理器由第一信号与能量比信号同第二信号的乘积之差提供反射校正能量信号。

按照本发明的另一种形式，校正反射辐射量的数字式光学高温计包括一个光导，用来接收来自目标的具有一定光谱宽度的、并包含从目标 发出的发射组分及从具有等效温度的火球发出的反射组分的光束;一个检测器组件，接收目标光束并将其分为经滤光的第一光束和未经滤光的第二光束，并且输出与它们等价的电信号。第二光束的光谱宽度选择为目标光束光谱宽度的一部分。它还包括一个具有用以存储信号的存储装置的数字信号处理器，这些信号包括那些指示大量正确的温度值的信号，每个都与一个相关的反射校正能量信号（E）的信号值相对应。数字信号处理器还用来接收所述第一和第二信号以及表示其幅度之比值的能量比信号。信号处理器由所述第一信号与能量比信号同第二信号乘积之差产生反射校正能量信号。信号处理器还将每个反射校正能量信号用存储在存储装置中的大量正确目标温度中相关的一个表示，并由此输出一个正确的目标温度信号。

附图的简要说明：

图1是按照本发明的校正反射辐射量的光学高温计的放大方块图。

图2是图1的光学高温计中采用的模拟信号处理器的放大方块图。

图3是图2的信号处理器的一个实施例。

图4是说明参数E和校正温度值之间的一种典型关系的曲线图。

图5是图2的信号处理器的另一个实施例。

本发明的最佳实施例：

首先参见图1，在按照本发明的一种高温计的简化方块图中，校正反射辐射量的光学高温计10包括有安装在喷气发动机外壳14里面的探头12。该探头应当安置在可以观察到诸如旋转涡轮叶片16和18等目标的位置上。

在一台运行着的喷气发动机中，涡轮的叶片达到很高的温度。因此它们发出热辐射，其强度和光谱分布是由众所周知的“黑体”近似方法描述的温度值的函数。若考虑到发射系数的变化，这种近似通常被称为“灰体”。此外，喷气发动机燃烧火焰或火球的光被涡轮叶片反射回来，也构成了目标光束的一部分。火球的温度大大高于涡轮叶片的温度，结 果是两束光的和产生了一个光谱能量分布，它得到一个高于涡轮叶片实际温度的等效黑体温度。

从涡轮叶片射出的光构成目标光束，它由探头接收。探头可以包含透镜和其它一些为加强探头的聚焦和聚集能力所需的常规光学元件。另一方面，探头具有常规的设计并且包括安装光纤的元件，内部光反射装置和提供消洗气流以通过探头支架的装置等。上述的探头装置是用于典型的检测用高温计的。那些本领域的技术人员可以根据高温计是用于检测或用于飞行中的高温计，或是根据每台发动机的类型来作出多种替换和修改。

光导20将目标光束提供给检测器组件22。一般，光导由一个熔凝光学纤维束或等效地由常规宽频带石英或熔凝硅纤维构成。

检测器组件也是常规的，并将目标光束分为两束，以使第一光检测器吸收其光谱宽度为目标光束的一部分的第一组分。在最佳实施例中，检测器组件包括一个分叉的纤维光学耦合器，在其给出的两束光之一中插入一个常规的滤光器。第二光检测器接收来自所述分叉的纤维光学耦合器的另一光束。

所述两光检测器一般由硅组成，它具有从0.4-1.05微米的光谱响应特性。在最佳实施例中，通过在第一光检测器前面插入一常规滤光器产生一个光谱带宽的差，并将此光检测器的谱带限制在0.4-0.85微米。该领域的技术人员将会注意到谱带的宽度是可以改变的，它应当按应用情况来选定。

第一光检测器在线路24上提供信号，信号表示所接收到的第一光束的能量;它包括一个第一（经滤光的）信号通道，其谱带与第一光束的谱带相对应。同样，第二光检测器包括第二（未经滤光的）信号通道，其谱带是第二光束的谱带，并在线路26上输出表示它的信号。

这些信号由信号处理器28接收。下面参照图2作详细说明，信号处 理器从所有所接收到的信号中计算出反射校正能量信号（E），其定义为：

E＝E_u+RE_f（1）

其中E_f和E_u分别对应于从第一和第二光检测器中接收到的信号幅值，R为能量比信号，它的意义参见图2，它通过线路30从外部装置32上接收到。

参数E仅是目标的发射辐射的一个函数，因此直接同叶片真实的或实际的温度有关。给定一个火球的等效黑体温度估算值及光检测器和滤光器的光谱特性，就可以确定正确的温度同反射校正能量信号（E）之间的函数关系。虽然这种关系是双值的，但在感兴趣的温度范围内却是单值的。根据应用情况，信号处理器通过线路34送到外部信号处理器36，则既可计算出反射校正能量信号，又可计算出相应的正确温度信号。

现有技术的双光谱光学高温计必须对两个能量信号都线性化并对每个信号通道都确定一个黑体温度。与此不同，本发明提出的校正反射辐射量的光学高温计不需要对两个接收的能量信号进行线性化。而且，反射校正能量信号（E）的动态范围比经滤光的和未经滤光的能量信号都要小得多，降低了对信号处理器硬件的要求，由于简化了所需的计算而提高了信号处理速度。

图2是用于图1的高温计的信号处理器28的放大方块图。来自涡轮叶片的目标光束具有热能E_t，它是叶片发射的能量和源于燃烧火焰或火球而被叶片反射的能量的总和，记作：

E_t＝E_b+E_r（2）

下标b和r分别表示叶片发射能量和火球反射能量。接着由检测器组件将目标光束分为具有不同光谱宽度的两束光。在最佳实施例中，这种划分是由一个分叉的光学纤维束和一个常规滤光器来实现的，使E_u对应于未经滤光信号通道中接收的总能量，E_f对应于经滤光信号通道中的总能量。

经滤光和未经滤光的总能量可表示为：

E_u＝E_ub+E_ur（3）

E_f＝E_fb+E_fr（4）

在给定的反射能量等效黑体温度时，经滤光通道和未经滤光通道的能量比是常数，即：

(E_ur)/(E_fr) ＝常数＝R（5）

因此，在未经滤光通道中总能量方程可写作：

E_u＝E_ub+RE_fr（6）

经滤光的反射能量成为：

E_fr＝E_f-E_fb（7）

将经滤光反射能量（E_fr）代入未经滤光总能量方程，得到：

E_u-RE_f＝E_ub-RE_fb（8）

由方程（8）可定义一个称为反射校正能量（E）的新的参数：

E_u-RE_f＝E＝E_ub-RE_fb（9）

方程（9）的左边仅仅是总的（发射+反射）经滤光和未滤光能量的函数，而右边仅是叶片发射能量的函数。因此，参数E仅是来自涡轮叶片的发射能量的函数，不受燃烧火焰的反射能量的影响。此外，E可以从经滤光和未经滤光的信号通道的总观测能量以及所述能量比的数值来求得。

对于具有反射等效黑体温度的燃烧火焰或火球，能量比R的值可用一个具有大体等于喷气发动机内等效黑体火球的温度（如4500°F）的黑体发出的辐射照射检测器组件来计算和验证。

同样，对给定的R值，通过为检测器提供具有不同温度（大约1300°F）的黑体辐射可以计算和验证E与反射校正温度的关系。对每个 感兴趣的能量比的值，可以得到一个类似的关系。E和正确温度的关系一旦被建立，信号处理器的构造就能被确定。

在最佳实施例中，信号是用模拟形式处理的。对应用于飞行中的高温计来说，模拟信号处理速度高且硬件简单。未经滤光的能量信号（E_u）和经滤光的能量信号（E_f）分别从线路24和26上被接收，由检测器组件（图1中的22）中的光检测器发出的光电流组成。常规的互阻抗放大器38和40接收能量信号并输出等价的电压，经线路42和44送入常规的宽频带放大器46和48。此外，表示能量比数值（R）的信号经导线30被放大器46接收。在最佳实施例中，R的数值对应于一个放大器的反馈调整机构，一般地对应于一个可选定数值的可变反馈电阻。

宽频带放大器的输出信号分别与方程（2）中的E_u和RE_f相对应。这些信号通过线路50和52送入常规的差分放大器54，它将在线路56上产生上述的反射校正能量信号。根据用途，反射校正能量信号可按现在的形式用于发动机反馈控制电路部分。另外，反射校正能量信号也可送入未示出的不属于本发明的外部信号处理器，诸如仪表盘上的飞行控制器，这时信号可被数字化并与作为正确温度函数的，以常规对照表形式储存的反射校正能量信号相比较。

图3是图2中信号处理器的另一种数字化实施例。

信号处理器（58）从线路60和62上接收分别表示未经滤光的能量（E）和经滤光的能量（E）信号。这些信号由模-数转换器64和66转换并馈给总线68。信号处理器包括常规的中央处理单元（CPU）70和用于存储信号的随机存取存储器（RAM）72。将反射校正能量信号与正确温度信号相联系的编译程序以常规的对照表形式存储在只读存储器（ROM）74中。

中央处理单元根据输入的能量信号以及从线路76上接收的并被模-数转换器77数字化的一个能量比信号来计算E的数值。根据反射校正能量信号的数值，信号处理器从只读存储器中选取相应的正确温度信号值。 在这个程序中如果必要，可由中央处理单元查询随机存取存储器。在某些应用中，对应于正确温度的信号直接由信号处理器经线路78馈给外部处理器，或者馈入数-模转换器80，然后再送给外部的电子装置。

图4是表示E和正确温度之间典型关系的曲线图，坐标轴84和82分别对应于E和正确的温度。曲线86对应于参数E的值。可以清楚地看出函数E是双值的。然而所感兴趣的范围限于3000°F温度以下，它对应于虚线88以下的区域。

本领域的技术人员将会注意到反射校正能量（E）数值的区域远小于从光检测器1或2来的输入能量信号。本发明提出的校正反射辐射量的光学高温计，反射校正信号范围减小了大约一个数量级这是因为反射校正能量是未经滤光能量与经滤光能量之差的函数。信号范围的减小使频率响应得到改善，与现有技术的双光谱区高温计相比表现出明显的优点。

图5是图3中数字信号处理器的另一个实施例的详细图解说明。替代的信号处理器（90）的特征在于把联系能量比信号和火球等效黑体温度的数据汇编与上述同图3的ROM74有关的信号一起存储在只读存储器92中。与火球等效黑体温度信号相对应的能量比信号由未示出的、且不作为本发明一部分的外部处理装置经线路94馈入。作为响应，首先在存储器中选出相应的R值，接着如上面有关图3的详细说明那样计算出反射校正能量信号。在其它所有方面，图5的信号处理器同图3是相同的。

此外，对本领域技术人员来说，显然可以采用其它模拟或数字的硬件和软件的另一种计算方法来进行等效的替换。

同样，虽然本发明是用最佳实施例来说明和描述的，然而本领域的技术人员应当知道，在不脱离本发明的精神和范围情况下可能作出各种其它变化和增减。

Claims (2)

1、一种测量远距目标温度的校正反射辐射量的光学高温计，它包括；

一光导装置，用以接收具有某一光谱宽度并包含来自目标发射的组分以及从具有一个等效黑体温度的火球反射的组分的目标光束；

一检测装置，该装置包括两个检测器和一个滤光器，用以接收所述目标光束，将其分为经滤光的光束和未经滤光的光束，并输出其相应的经滤光信号和未经滤光信号；本发明的特征在于：还包括

一数字信号处理装置，该装置具有将所述检测装置的输出信号转换为数字信号的模数转换装置以及为存储包括表示大量正确的目标温度且各对应于一个相关的反射校正能量(E)信号值的信号存储装置，所述数字信号处理装置用以接收所述经滤光信号和未经滤光信号，并接收代表上述两信号之比值的能量比信号；

从所述经滤光信号与所述能量比信号同所述未经滤光信号的乘积之差产生反射校正能量信号；

使所述的反射校正能量信号各自用存储在所述存储装置中的大量正确的目标温度信号中有关信号表示，并输出表示它们的信号。

2、按照权利要求1的数字式校正反射辐射量的光学高温计，其特征在于所述数字信号处理装置还包括存储在所述存储装置中的、其每个都对应一个相关的火球等效黑体温度信号值的表示大量能量比的信号，所述信号处理器还使接收的等效黑体温度信号用存储在所述存储装置中的相关的能量比信号来表示。

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